在數(shù)字電路領(lǐng)域，摩爾定律繼續(xù)推動集成度和性能的飛躍，而在模擬電路中，技術(shù)進(jìn)步卻相對緩慢。傳統(tǒng)的多輸出電源轉(zhuǎn)換器通常依賴于單路輸出基礎(chǔ)上進(jìn)行二次變換，來滿足各種電壓需求。這種方法雖然簡單，但在效率和系統(tǒng)復(fù)雜性上存在明顯的局限性。例如，在微機(jī)電一體化設(shè)備（如冰箱和空調(diào)）中，通常需要多個(gè)電壓軌（如5V、3.3V和12V）來驅(qū)動不同的組件。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)通過在單路輸出電源的基礎(chǔ)上添加降壓或升壓轉(zhuǎn)換器來生成這些電壓。然而，這種方法不僅增加了功耗和熱管理難度，還可能導(dǎo)致系統(tǒng)體積和成本的增加，這與現(xiàn)代電子產(chǎn)品對高效率和小型化的需求背道而馳。

單路輸出的反激式電源通常只能提供一種固定電壓。如果設(shè)備中的某些組件需要的電壓高于這個(gè)固定電壓，就必須使用二級升壓電路；如果需要的電壓低于這個(gè)固定電壓，則需要二級降壓電路。這種設(shè)計(jì)思路雖然邏輯簡單，能夠滿足基本的工程需求，但效率并不理想。例如，假設(shè)單級電源轉(zhuǎn)換的效率為90%，那么在兩級電路串聯(lián)的情況下，整體效率就會下降到0.9×0.9=81%。對于一些功率需求較高或要求較為嚴(yán)格的系統(tǒng)，這樣的效率損失是難以接受的。

多路輸出電源

如上圖所示，該電源設(shè)計(jì)有三個(gè)輸出，但它們并非是完全對等的。這其中，一個(gè)輸出被稱為主輸出，其余兩個(gè)則為輔助輸出。這種區(qū)分的根本原因在于電路的反饋機(jī)制：反饋電路僅對主輸出進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，確保主輸出的電壓穩(wěn)定。相較之下，輔助輸出并不參與反饋控制，因此電壓會隨著負(fù)載變化而波動不定。

為了穩(wěn)定輔助輸出的電壓，通常會引入一個(gè)假負(fù)載，目的是在空載或輕載條件下避免電壓過高。這個(gè)假負(fù)載一般采用負(fù)載電阻，通過持續(xù)消耗一定的能量來降低輔助輸出的電壓波動。然而，這種方式的弊端也十分明顯：假負(fù)載的引入無端消耗了一部分系統(tǒng)的能量，從而降低了整體的電源效率。

多繞組反激式電源的設(shè)計(jì)思路可以顯著提高系統(tǒng)效率，特別是在需要多個(gè)電壓軌的復(fù)雜設(shè)備中。這種設(shè)計(jì)將所有輸出電壓集中在一個(gè)變壓器上，簡化了電路結(jié)構(gòu)，減少了對額外電路的需求。同時(shí)，由于減少了二次轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，整個(gè)系統(tǒng)的熱管理壓力也有所緩解。更少的發(fā)熱意味著設(shè)備可以在更高的功率水平下工作，同時(shí)維持較低的溫度，從而延長設(shè)備壽命。然而，多繞組設(shè)計(jì)也帶來了一些挑戰(zhàn)。例如，不同繞組之間的耦合效應(yīng)可能導(dǎo)致輸出電壓的不穩(wěn)定性。在負(fù)載波動較大的情況下，次級繞組之間的電壓調(diào)節(jié)需要特別注意，以避免由于負(fù)載變化而引起的電壓干擾。此外，增加繞組數(shù)量還可能導(dǎo)致變壓器的體積增大，這對一些要求小型化的設(shè)備設(shè)計(jì)而言是一個(gè)限制因素。因此，在設(shè)計(jì)多繞組反激式電源時(shí)，工程師需要在效率提升和體積優(yōu)化之間找到平衡點(diǎn)。

InnoMux™-2的創(chuàng)新優(yōu)勢

面對這些挑戰(zhàn)，InnoMux™-2的創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。它不僅能有效減少多輸出電源系統(tǒng)中的能量損耗，還大幅簡化了電路設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的二次變換架構(gòu)不同，InnoMux™-2通過一種多軌并行的方式，直接從初級電壓生成多個(gè)電源軌，省去了中間的變換步驟。這種創(chuàng)新架構(gòu)能夠顯著提高系統(tǒng)效率，減少熱量產(chǎn)生，從而延長設(shè)備的使用壽命。此外，InnoMux™-2的設(shè)計(jì)還考慮到了現(xiàn)代電子設(shè)備對空間和成本的嚴(yán)格要求。通過集成多個(gè)功能模塊，它能夠有效縮小電源轉(zhuǎn)換器的體積，降低系統(tǒng)復(fù)雜性和制造成本。這對需要緊湊設(shè)計(jì)的消費(fèi)電子產(chǎn)品和工業(yè)設(shè)備而言，無疑是一項(xiàng)重要的技術(shù)進(jìn)步。

在InnoMux™-2的設(shè)計(jì)中，沒有傳統(tǒng)的DC-DC變換器，這是一種顛覆性的思路。通常情況下，常見的改進(jìn)方法是在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行修修補(bǔ)補(bǔ)，以期望在效率、空載功耗和輸出精度之間找到平衡。然而，這種方法始終無法徹底解決所有問題，依然要在各項(xiàng)參數(shù)上做出妥協(xié)。而InnoMux™-2的獨(dú)特之處在于它跳出了這種傳統(tǒng)的權(quán)衡邏輯，采用了一種全新的拓?fù)湓O(shè)計(jì)，完全去除了DC-DC變換器，實(shí)現(xiàn)了“一步到位”的解決方案。在傳統(tǒng)多輸出電源設(shè)計(jì)中，輔助輸出經(jīng)常受到主輸出的影響，這主要與變壓器繞組的固定物理圈數(shù)有關(guān)。盡管繞組的圈數(shù)是根據(jù)電壓比例設(shè)計(jì)的，但由于繞組間存在不同的漏感，在不同負(fù)載條件下，各輸出電壓并不總是按預(yù)期的比例分配。這尤其會導(dǎo)致輕負(fù)載輸出出現(xiàn)“峰值”充電現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致輸出電壓飄高。同時(shí)，多路輸出的功率分配是按繞組圈數(shù)自動進(jìn)行的，只有主輸出（即參與反饋控制的輸出）能夠控制初級開關(guān)狀態(tài)。這意味著，無反饋的輔助輸出在電壓調(diào)控上無法得到有效的控制，導(dǎo)致輸出精度較低。

InnoMux™-2：革命性的解決方案

PI（Power Integrations）發(fā)布的InnoMux™-2正是為解決上述多輸出電源設(shè)計(jì)中的技術(shù)“痛點(diǎn)”而生。InnoMux™-2的架構(gòu)采用了全新的設(shè)計(jì)理念，通過消除傳統(tǒng)的DC-DC變換器，實(shí)現(xiàn)了更高效的能量轉(zhuǎn)換，并克服了繞組固定圈數(shù)帶來的電壓分配問題。

從結(jié)構(gòu)上看，InnoMux™-2通過智能控制電路，將能量動態(tài)分配到各個(gè)輸出電壓軌上。它利用一種虛擬的“動態(tài)繞組”概念，使得系統(tǒng)能夠根據(jù)負(fù)載情況實(shí)時(shí)調(diào)整輸出電壓，從而消除了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中電壓飄高的問題。這種設(shè)計(jì)不僅提高了效率，還確保了所有輸出的電壓精度，即使在多路輸出的情況下也能保持穩(wěn)定。

與傳統(tǒng)的多輸出電源不同，InnoMux™-2的設(shè)計(jì)讓每一路輸出都具備反饋控制功能，無論是恒壓輸出還是恒流輸出。傳統(tǒng)的多輸出電源通常只有主輸出具有反饋調(diào)節(jié)，而輔助輸出則不參與反饋，導(dǎo)致輔助輸出的電壓容易隨著負(fù)載的變化而波動。然而，InnoMux™-2通過次級電路對每一路輸出進(jìn)行監(jiān)測，確保每路輸出的電壓或電流都能被精確控制。

InnoMux™-2的動態(tài)能量分配機(jī)制

當(dāng)某一路的電壓或電流下降到設(shè)定值以下時(shí)，次級側(cè)的控制器通過FluxLink技術(shù)以脈沖的方式向初級電路發(fā)送一個(gè)開關(guān)請求信號。初級側(cè)接收到這個(gè)信號后，開關(guān)管開啟，能量開始在初級側(cè)積聚，并準(zhǔn)備傳輸至次級側(cè)。然而，InnoMux™-2的獨(dú)特之處在于，這些能量只會被發(fā)起開關(guān)請求的那一路輸出接收，其他未發(fā)起請求的輸出將保持與變壓器斷開，無法獲取這部分能量。

為了實(shí)現(xiàn)這種精確的能量傳導(dǎo)，每路輸出電壓軌上都串聯(lián)了一個(gè)選通開關(guān)（通常是MOSFET），該選通開關(guān)由次級電路動態(tài)控制。只有發(fā)起請求的輸出對應(yīng)的選通開關(guān)會導(dǎo)通，從而允許儲能釋放到相應(yīng)的輸出軌道上。這種設(shè)計(jì)依賴于數(shù)字控制電路的高速和高精度特性，能夠在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)動態(tài)調(diào)節(jié)能量的傳導(dǎo)路徑，使得每個(gè)周期中的能量只傳輸?shù)叫枰妮敵錾?。這種精確的動態(tài)調(diào)控，確保了每一路輸出在任何負(fù)載條件下都能夠維持穩(wěn)定的電壓或電流。

以一個(gè)典型的單繞組12V和5V雙路輸出的反激式電源為例，可以進(jìn)一步理解InnoMux™-2的工作機(jī)制。當(dāng)12V輸出電壓下降到反饋參考點(diǎn)以下時(shí)，次級側(cè)的控制器通過FluxLink發(fā)送開關(guān)請求信號，初級開關(guān)管導(dǎo)通，能量在初級側(cè)積聚。此時(shí)，次級的同步整流器（SR）導(dǎo)通，但12V輸出對應(yīng)的選通FET處于關(guān)閉狀態(tài)，能量儲存完成后，再通過12V選通FET釋放到12V輸出軌，完成能量傳遞。

同樣，當(dāng)5V輸出電壓下降到設(shè)定的反饋參考點(diǎn)以下時(shí)，次級控制器通過FluxLink發(fā)送開關(guān)請求，初級開關(guān)管再次導(dǎo)通，能量積聚。此時(shí)，5V輸出對應(yīng)的選通FET導(dǎo)通，能量從初級側(cè)傳導(dǎo)到次級5V輸出軌，完成能量傳輸。

這種機(jī)制使得InnoMux™-2能夠在每個(gè)開關(guān)周期中動態(tài)調(diào)節(jié)能量的傳輸路徑，實(shí)現(xiàn)對多路輸出的高精度控制。每一路輸出的電壓或電流都可以根據(jù)實(shí)際需求精確調(diào)節(jié)，確保即使在負(fù)載變化的情況下，也能提供穩(wěn)定的電源輸出。這不僅解決了傳統(tǒng)多輸出電源中反饋不充分的問題，還大幅提高了系統(tǒng)效率和輸出精度。其中GSel是選通FET的柵極信號，GSR是SR FET的柵極信號。我們可以看到，通過控制GSel，就可以選擇次級端變壓器當(dāng)中儲能的傳導(dǎo)路徑，或者是釋放至5V端，或者釋放至12V輸出端。

從上述波形中可以觀察到，GSR信號在初級功率開關(guān)管導(dǎo)通之前，會出現(xiàn)一個(gè)短暫的開通脈沖。這一特性體現(xiàn)了InnoMux™-2的又一創(chuàng)新點(diǎn)，即利用現(xiàn)有的同步整流（SR）FET實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)（ZVS）。這種方法與傳統(tǒng)有源鉗位電路不同，完全不需要額外的復(fù)雜電路，從而在簡化設(shè)計(jì)的同時(shí)，還能將整體效率提高約0.5%到1%。

零電壓開關(guān)（ZVS）的原理與優(yōu)勢

傳統(tǒng)電源設(shè)計(jì)中，零電壓開關(guān)技術(shù)通常需要額外的電路來實(shí)現(xiàn)，例如在有源鉗位拓?fù)渲?，必須引入額外的開關(guān)和電容網(wǎng)絡(luò)來降低開關(guān)損耗。而InnoMux™-2通過巧妙的設(shè)計(jì)，利用已有的同步整流FET來實(shí)現(xiàn)ZVS。這意味著在功率開關(guān)管導(dǎo)通前，通過控制同步整流器的短暫導(dǎo)通，使得主開關(guān)管在零電壓狀態(tài)下啟動，從而減少了開關(guān)損耗，提高了轉(zhuǎn)換效率。

具體來說，在主開關(guān)管導(dǎo)通前，次級的同步整流FET會被短暫激活，釋放電路中的殘余能量，使得主開關(guān)管兩端的電壓降到接近零。當(dāng)主開關(guān)管在零電壓下導(dǎo)通時(shí)，由于沒有顯著的電壓應(yīng)力，開關(guān)損耗被大幅度降低。這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)不僅提升了電源效率，還減少了器件的熱應(yīng)力，有助于提高系統(tǒng)的可靠性。

InnoMux™-2的ZVS特性使其非常適合于高效能、多輸出電源的設(shè)計(jì)，特別是在對能效要求嚴(yán)格的應(yīng)用場景中，如LCD電視、LED照明以及智能家居設(shè)備等。通過減少開關(guān)損耗和優(yōu)化能量傳輸路徑，InnoMux™-2在實(shí)現(xiàn)更高轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和長壽命。

InnoMux™-2的具體工作過程可以分為以下幾個(gè)步驟：

初級開關(guān)導(dǎo)通前：首先，控制電路會讓同步整流（SR）FET短暫導(dǎo)通一段時(shí)間。此時(shí)，次級側(cè)繞組中會產(chǎn)生一個(gè)反向電流，這個(gè)電流的能量來源于5V輸出電容。接下來，當(dāng)SR FET關(guān)斷時(shí)，反向電流會被引導(dǎo)至初級繞組，并通過漏極傳輸至直流母線的正極。

VDS電壓的放電過程：通過這個(gè)反向電流，初級側(cè)功率開關(guān)管的VDS電壓被放電，并迅速降低至接近零。當(dāng)VDS電壓接近“0”時(shí)，控制器發(fā)送初級開關(guān)管的導(dǎo)通驅(qū)動信號，此時(shí)實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)（ZVS）的效果。

這種ZVS實(shí)現(xiàn)方式是基于電路工作在斷續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）時(shí)的特性。當(dāng)反激式電源工作在高壓輸入條件下時(shí)，通常都處于DCM工作模式，而此時(shí)也是初級功率開關(guān)管的開關(guān)損耗較高的場景。通過ZVS技術(shù)，開關(guān)損耗被大幅度降低。而在低壓輸入時(shí)，電源一般設(shè)計(jì)為連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM），此時(shí)即使無法實(shí)現(xiàn)ZVS，由于導(dǎo)通損耗較低，對整體效率和功率管的溫升影響也較小。

解決音頻噪音問題：脈沖共享技術(shù)

雖然InnoMux™-2可以通過引導(dǎo)每個(gè)開關(guān)脈沖的能量來實(shí)現(xiàn)精確的多路輸出控制，但當(dāng)某一路輸出的負(fù)載較輕時(shí)，這一路輸出請求開關(guān)的脈沖頻率可能會下降到音頻范圍，從而可能引發(fā)音頻噪音的問題。

InnoMux™-2通過一項(xiàng)獨(dú)特的控制技術(shù)——“脈沖共享”來解決這一問題。當(dāng)某路輸出的負(fù)載變輕時(shí)，InnoMux™-2會動態(tài)調(diào)整開關(guān)脈沖的分配方式，通過讓多個(gè)輸出共享相同的脈沖周期，避免了單一路輸出頻率過低引發(fā)的音頻噪音。這種脈沖共享技術(shù)不僅有效解決了噪音問題，還能在輕載條件下保持高效的能量管理。

實(shí)際上，InnoMux™-2的操作方式并不完全如我們之前所描述的那樣，即每個(gè)初級脈沖的能量都直接輸送給某個(gè)特定的輸出。因?yàn)檫@種方式容易導(dǎo)致由于負(fù)載變化引起的磁通釋放不一致，從而使得變壓器在不同開關(guān)周期內(nèi)的次級電流波形不一致。這種不一致的電流波形如果進(jìn)入音頻頻率范圍或接近變壓器的固有振蕩頻率，就可能引發(fā)音頻噪音問題，并且增加輸出紋波，這在高功率應(yīng)用中尤為嚴(yán)重。

為了避免上述問題，InnoMux™-2采用了“脈沖共享”技術(shù)。在這種技術(shù)中，每個(gè)周期的初級能量不會僅僅集中在一個(gè)單一的輸出上，而是被分擔(dān)到多個(gè)輸出之間。具體操作如下：

能量分擔(dān)：在一個(gè)周期內(nèi)，來自初級的能量會在最高電壓輸出（例如12V）和另一路低壓輸出（例如5V）之間分擔(dān)。通過選通開關(guān)的通斷控制，高壓輸出的剩余能量會被消耗在選通開關(guān)導(dǎo)通的低壓輸出負(fù)載上。

頻率和波形一致性：這種能量分擔(dān)方式可以使得高壓和低壓輸出都以較高的頻率操作，并且各周期間的次級電流波形保持相似。通過確保每個(gè)周期的能量在次級側(cè)的釋放模式接近一致，減少了次諧波頻率進(jìn)入音頻范圍的風(fēng)險(xiǎn)，從而降低了音頻噪音。

紋波優(yōu)化：由于每個(gè)輸出在更高的頻率下得到能量補(bǔ)充，輸出紋波也得到了有效控制。這不僅改善了電源的穩(wěn)定性，還提升了整體的電源性能。

效率提升

InnoMux™-2的設(shè)計(jì)使得整體變換效率達(dá)到90%。相比傳統(tǒng)的單級反激加后級穩(wěn)壓器的多輸出方案，其效率提高了10%。換句話說，浪費(fèi)的能量減少了近一半。與單輸出電源的92%轉(zhuǎn)換效率相比，InnoMux™-2在額外僅2%的損耗下，實(shí)現(xiàn)了多路輸出的精確調(diào)整。這種改進(jìn)對整體系統(tǒng)能效標(biāo)準(zhǔn)的滿足和供電電源待機(jī)表現(xiàn)的提升具有重要意義。