解决电源管理的顶级挑战

由于高密度AC/DC和DC/DC电源构架应尽可能地减少其元件数量，工程师在相关设计过程中所面临的挑战越来越多。在此，我们考虑了电源管理设计中的部分关键因素，并采取了一些方法来进行应对。

电源管理工具

无论您是专业的电源工程师，还是将电源作为众多任务之一的系统开发人员，在进行有效电源管理设计时所面临的一个关键问题是为特定的应用快速确定最佳解决方案。此时使用在线工具对您来说就极为有用。

例如，Silanna Semiconductor的Power Density Hero定制设计工具可简化并加快高效定制AC/DC和DC/DC电源的设计、规范和原型开发。这款快速高效的"一体化"在线工具简单易用，非常适合想要提高各类电源（包括充电器、旅行适配器、工业及家电电源等）效率并减少其尺寸和组件数量的工程师使用。

Power Density Hero设计工具界面简单直观，允许注册工程师为其目标DC/DC或AC/DC应用输入各种关键系统参数和性能要求，包括最小和最大输入电压、输出类型以及电压和控制器IC类型。当输入所有信息后，该工具会立即计算必要的电子元件和数值。完成上述操作后，Power Density Hero会自动发送个性化的机密文档，其中包含设计所需的所有设备、电源IC和其他分立元件的全面设计规范、电路原理图和优化的物料清单(BOM)。

 Power Density Hero   快速高效  一体化工具

Silanna的Power Density Hero定制设计工具简化并加快了高效AC/DC和DC/DC电源设计、技术规范和原型开发。

电源效率

当OEM希望进一步降低总体功耗并提高应用性能时，效率是电源管理设计过程中的首要因素。电源效率除了会影响正常运行所需的系统功率，还影响到供电设计的许多方面，包括满足消除影响其可靠性的热排放需求，以及实现通过提高功率密度来降低其形状因数的能力等。

影响电源效率的因素包括拓扑选择、开关频率、器件（Power FETs、电感和变压器等）导通与开关损耗，以及构建电源所需的组件数量。

例如，在AC/DC电源中，选择有源钳位反激式（ACF）拓扑有助于提高其效率。与传统反激式转换器不同，ACF拓扑可以重新利用存储在变压器漏感中的能量，而不是将该能量消耗在无源钳位缓冲电阻中。在开关周期内向负载提供这种“回收”能量可以提高转换器效率。它还有利于在二次侧使用额定电压较低的同步整流器开关，从而降低传导损耗。

对于DC/DC负载点(PoL)转换器而言，其通过增加工作频率使用更小规格的输出滤波器，从而降低损耗提高其电源效率。

Silanna在其CO2 Smart Power™系列中采用了可提供极高效率和功率密度的超紧凑型高频PoL DC/DC转换器，以及世界首个全集成式有源钳位反激控制器，其工作效率可高达95%。

 与传统反激式转换器不同，ACF拓扑可以重新利用存储在变压器漏感中的能量，而不是将该能量消耗在无源钳位缓冲电阻中。

CO2 Smart Power™包括超紧凑、高效率的Active-Clamp反激式AC/DC控制器和能提供超高效率和功率密度的高频负载点PoL DC/DC转换器。

功率密度

高功率密度设计在许多应用中都是必不可少的，比如快速充电器和电源适配器等。在这些应用中，外形尺寸和重量对用户体验具有重要影响。除效率外，高度集成化在提供高功率密度方面也起着关键作用，其通过减少元件数量和压缩电路板空间来降低BOM数量。

例如，Silanna的SZ11xx系列集成ACF控制器将自适应数字PWM控制器和由有源钳位驱动器、有源钳位FET和启动稳压器组成的超高压电路结合到一个装置中。这种前所未有的集成度可促进高效、高功率密度、低材料成本AC/DC转换器的快速设计。

Silanna的SZDL3105B全集成DC/DC转换器（降压稳压器）同样如此，其可以提供高达5A的电流和100W的输出功率。它具有行业领先的宽输入和输出范围，支持高达27VDC输入，且它采用了微小的QFN封装，尺寸仅为4mmx4mm。

Silanna的SZDL3105B全集成DC/DC转换器（降压稳压器），可提供高达5A和100W的输出功率。

物料清单成本低

在预算紧张的情况下提供有效的电源管理设计是一个难题，尤其是在为成本敏感型消费类应用设计电源解决方案时。尽管如此，降低单个元件的成本并不一定是提供最大性价比的最佳方案。通常情况下，通过减少设计所需的总元件数量来优化整体材料清单（BoM）是降低成本更为有效的方法。

以Silanna Semiconductor的CO₂ Smart Power™SZDL3105B为例，它是一个全集成式DC/DC转换器，采用QFN封装，尺寸仅为4mmx4mm。这种100W、宽电压、高频率的PoL转换器通过减少FET，并使用规格更小、价格更低的电感和电容来降低成本。

Silanna Semiconductor的CO₂ Smart Power系列中AC/DC的解决方案也是如此，例如用于高达120W适配器的SZ1131控制器。SZ1131的集成度为业界最高，它集成了自适应数字PWM控制器、超高压(UHV)有源钳位FET、有源钳位栅极驱动器和启动稳压器，以最大限度地降低整体系统成本。

上述功能的实现仅需占用高效降压转换系统12%的容量

Silanna的CO₂ Smart Power™技术系列的最新产品，通过简化设计并提高性能，解决了工程师面临的电源管理重大难题，同时通过提高能源利用效率来实现环境可持续性目标。

热管理

热管理是高密度电源设计另一个需要特别关注的关键领域。由于可用于功率转换所产生热量的散热面积很小，加之允许其安全工作的最高温度的限制，在相关设计中实现合适的热管理变得越来越困难。当电源体积变小时，其效率需按比例提高，以避免过热或超过机箱的触摸温度。恶劣工况下产生的功耗会成为机箱内废弃的热量，成为热管理的限制因素。对于AC/DC电源来说，这通常发生在最低线电压（例如90Vac）全额输出功率运行的情况下。对于DC/DC转换器，输入和输出电压之间的最高转换比会导致最恶劣工况下的功率损耗。

Silanna的AC/DC和DC/DC芯片组可提供极高的效率，具有行业领先的功率密度。OptiMode™数字控制器在不同的线路、负载和温度等工况下皆可保持高效率。反过来，上述措施中通过减少设备对额外散热器、热灌封化合物等的需求不仅简化了高密度电源的设计，而且还降低了相关成本和重量。

以下测量数据来自Silanna的高密度65W USB-PD参考设计(RD-29)，该设计展示了30W/inch³的无外壳功率密度，同时将元件的最高温度限制在96°C以下。

电磁干扰

电磁干扰(EMI)是电源设计师关注的另一个关键领域。传导和辐射EMI都需要足够的裕度来满足国际监管要求，如CISPR22B/EN55022等。虽然业界常使用输入和输出EMI滤波器元件（例如共模扼流圈、差分电感器、X和Y电容器）来提供充分的EMI裕度，但它们往往会增加电源设计的成本、复杂性和尺寸需求。此外，客户往往对这些滤波元件有额外的要求，例如Y电容器的最大电容值（限制漏电电流）。一般来说，EMI对电源设计师来说是一个复杂的领域，任何设备方面的优化措施，如反激式控制器，都会受到设计者和终端客户的高度赞赏。

与传统的QR反激式控制器相比，Silanna Semiconductor的全集成有源钳位反激式控制器具有明显优越的EMI性能，原因有以下几点。

首先，有源钳位反激式操作消除了一次侧FET关断时的电压尖峰（下图中标记为点1），这实际上消除了由于开关节点电压的振铃而产生的EMI。此外，内部有源钳位FET的软开关不会给系统带来任何额外的EMI。同时，在一次侧FET导通期间，有源钳位操作通过大幅降低QR谷值（在下图中用点2标记）实现了一次侧FET的近零开关电压(ZVS)。这使得开关电压更小，从而降低EMI。

其次，无论线路和负载条件如何，Silanna的ACF控制器都能严格调控工作开关频率的范围。OptiMode™数字控制器确保系统的开关频率变化范围不会过大，因此输入滤波器可以在有限的工作频率范围内进行优化。电源设计人员能够选择适当的输入滤波器，在要求范围内最大程度的衰减其频率，避免使用复杂的滤波器设计和笨重的无功元件。

第三，Silanna的ACF控制器采用先进的QR波谷开关功能，在连续的开关周期中，QR谷值的数值是不同的，通过在系统中引入自然颤振，减少了EMI。在150kHz-500kHz的频率范围内，其可有效地减少3dB-7dB的EMI。

下图展示了一个例子，控制器在连续的开关周期内将运行模式从第三谷改为第二谷。在多个开关周期的平均值中，该开关方案有效地实现了2.5个波谷的切换。

波谷的数值随着周期的变化而变化，确保在高级QR波谷值切换期间不会产生可听噪声。出于同样的原因，该功能在开关频率低于70kHz时被禁用。

下面的传导和辐射EMI结果显示，在65W的USB-PD参考设计（RD-29）中，仅使用差分电感的单级输入滤波器（无共模扼流圈）就能实现6dB以上的裕度。

导通EMI：在低线（左）和高线（右）测量的20V/3.25A（65W）

辐射EMI：在低线（顶部）和高线（底部）测量的20V/3.25A（65W）

设计复杂性

随着功率密度和性能目标需求的不断提高，电源管理应用的复杂性也持续增加。然而，情况不一定是这样的。例如，当选择更集成的解决方案来减少组件数量时，除了前面提到的成本优势之外，另一个优势是可以显著降低设计复杂性。

例如，SZDL3105B等高度集成的DC/DC转换器消除了对附加FET的需求，并允许使用更小、更容易实现的无源和磁性元件。

此外，SZ1131全集成式AC/DC控制器完全避免了工程师对于FET、驱动器和稳压器的设计。因此，该器件具有简单反激式控制器的易设计性和ACF设计的所有优点，包括回收反激式变压器的漏电感能量和限制一次侧关断FET时漏极电压尖峰值。

分立功率器件与集成电路

在工程领域，通常存在“制造或购买”的决策，这取决于多种因素，包括应用规格、可用资源、时间限制、满足标准认证的能力，当然还有预算。对于电源工程师来说，这个决定通常归结为选择是使用分立元件还是“现成的”IC来设计电路。

过去，设计人员别无选择，只能使用分立器件（如MOSFET和二极管）来组装其电源转换及管理架构。虽然这种方法允许设计师根据所选择的元件进行优化，但现在有越来越多的集成IC可以在不影响设计规格的情况下最大限度地减少对分立器件的需求。

以有源钳位反激式（ACF）设计为例，由于工程师们希望在减少尺寸、重量和成本的同时，提高产品的规格和性能，这种设计正在取代传统反激式设计。

除了回收过去作为热量散失的能量外，ACF拓扑结构还具有其它优点，具体取决于所采取的技术措施。例如，将智能数字控制应用于钳制电路，可以使一次侧反激式场效应晶体管接近零开关电压（ZVS），并对漏极电压的关断进行管理。

过去以来，这种类型的自适应智能控制增加了电路的复杂性，并没有直接实现。然而现在，全集成式ACF控制器的出现大大简化了小型轻便高效转换器的设计，使得这些转换器仅需要最少数量的外部元件即可实现。

上市时间

由于企业更希望将工程资源集中在核心应用型的能力上，业界对第三方设计支持以简化电源管理设计的需求在不断增长。

除了前面提到的在线工具外，这种支持还延伸到评估板和参考设计，以最大限度地减少开发和原型设计所需的时间。

Silanna Semiconductor提供各种电路板来支持其DC/DC转换器技术和适用于快速充电器等场景的完整参考设计，其中包括了基于ACF的GaN参考设计，其为快速充电器的功率密度、效率和空载功率设定了新的基准。

RD-29基于Silanna的SZ1131 ACF控制器进行设计，采用了Transphorm的Super GaNFET设备，是一种可投入生产的65W1CUSB-PD参考设计，它包含了设计人员开发充电器所需的全部功能，并且已经达到传导和辐射EMI 6dB以上的要求。我们将继续增加使用Silanna Semiconductor的AC/DC和DC/DCIC的可生产设计列表，推出更多针对各种功率水平的单端口和多端口USB-PD的参考设计。

SZ1131-全集成式主动型钳形反激式(ACF)控制器

65W 1C ACF+GaN参考设计

峰值效率高达94.5%

空载功率<25mW

30W/inch³（无外壳的）功率密度

符合EMI要求的可投产设计

电源管理设计支持

当然，有时电源管理设计需要一些专业支持——此时工程师需要寻找合格的专业人员，了解他们的应用并提出最佳方案来实现设计目标。

正是为了满足这些要求，Silanna Semiconductor于2020年成立了亚洲卓越中心(ACE)。

ACE总部位于菲律宾，为客户提供援助、教育、培训和信息，这使得Silanna能积极主动地，更专注地为客户提供技术支持。