Muxcapacitor：DC-DC和AC-DC转换器的高效率解决方案

文章：M. di Paolo Emilio

MuxCapacitor®是由螺旋半导体开发的专有电压转换技术。由于其高效率，Muxcapacitor转换IP允许螺旋构建高度集成的电源IC，可用于需要AC-DC或DC-DC电源转换的各种应用。通过通过高压SOI CMOS工艺实现该技术，获得了可支持输入电压的设备，可支持400 V DC，适用于在大多数应用中使用转换到直流电的转换。由螺旋开发的AC-DC转换器适用于开发电源解决方案，无论是否有变压器，确保两种情况下的平均端到端效率超过95％。

Muxcapacitor技术还证明在无负载条件下管理功耗特别有用。当负载吸收为零时，螺旋的专有IP具有小于5mW的吸收，而不会对输出电压的值产生任何影响，该值保持在所需值。由螺旋半导体开发的另一个重要设备涉及DC-DC转换器，主要针对中间电压转换应用。

这些转换器在+ 24 V DC和+60 V DC之间具有输入电压，平均效率超过94％，并且在没有少于5mW的载荷的情况下吸收。Helix AC-DC电压转换器的典型应用如下：USB-C兼容输出电压，智能插座，IOT和IIT网关，远程传感器，烟雾和CO探测器。DC-DC转换器应用包括电信刀片，数据中心，云服务器和机架，PoE设备，无线接入点安全摄像头，VoIP电话，工业控制器，HVAC，IOT和IIT网关。

MuxCapacitor技术概述

在过去的几年中，电子设备和应用程序已经扩大，这导致了对电源管理解决方案的需求不断增长，无论是直接和交流的电流。

为了不断降低工业和消费应用所需要的功率吸收，有必要设计出非常高效、最小化损耗和功率损耗的解决方案和设备。此外，与现行法规相关的方面，例如那些纯粹生态的方面，在促进环境保护方面不应该被忽视。

在这种情况下，由螺旋半导体开发的Muxcapacitor技术（简要介绍Muxcap™）代表了传统解决方案的突破。Muxcap在所有负载条件下实现了非常高的效率，结合了最小能量浪费。通过MUXCAP电容转换技术可获得的高效率也可以与另一个专有的螺旋技术相结合：CAPISO™。Capiso提供固态的电容隔离，无需在AC-DC转换器和隔离的DC-DC转换器设计中对笨重和昂贵的变压器。因此，使用MUXCAP和CAPISO技术使得可以获得直接，紧凑，高效的功率转换解决方案。

以百分比表示的功率效率，可利用基于MUXCAP技术的解决方案所示，如图1所示。可以看出，蓝色曲线对应于非常高效率的值，随着负载变化而保持几乎恒定（也是如此负载以百分比表示。基于传统的基于磁性技术，红色曲线是指基于传统的磁性技术的常用解决方案。应当注意，第二种解决方案实现了与MUXCAP解决方案相当的效率值，仅用于载荷使用超过50％，而对于较低的负载值，效率远低得多。

图1：在效率方面，在MUXCAP解决方案和传统的效率之间进行比较[来源：螺旋半导体]

效率曲线突出了MUXCAP电力传递的优势。不仅效率极高，但在低运行负荷下没有效率的惩罚。Helix Muxcap芯片组最多包括三个阶段，其中每个Muxcap阶段消耗小于1μA的静态工作电流。基于开关电容电荷泵技术的MUXCAP达到大于98％的效率，适用于隔离和非隔离，AC-DC和DC-DC，降压或升压电源转换解决方案。

图2的上侧示出了基于Muxcapacitor技术的通用降压或升压电压转换器的应用程序图。可以看出，只需要几个外部飞行电容器和连接在输出电压Vout和地面之间的电容，以获得紧凑且集成的单级电压转换器。作为示例，图2的下侧示出了外部电容器的两个配置（或网络），通过该配置（或网络）可以分别实现1.5或0.66的电压增益。

图2:与MuxCap转换器相关的应用图，在boost和buck配置[来源:Helix Semiconductor]

另一方面，图3示出了与Muxcap和Capiso Technologies的组合使用相关的典型方案。使用MUXCAP技术构建的IP在芯片组的主侧和次级侧进行，而用卡波孔技术制造的内部电路提供电容类型的屏障。这种类型的解决方案已经获得了向安全方面批准的承销商实验室（UL），提供了消除隔离变压器的需求的关键益处。

图3：Muxcap和Capiso Technologies的组合使用方案[来源：螺旋半导体]

HelixMXC®200和MXC 300产品系列

Helix提供的功率转换解决方案可以分为两个系列，MxC 200和MxC 300。螺旋半导体MxC 200系列由几个单片，可配置，高压开关电容集成电路，用于非隔离和隔离，降压或升压DC-DC变换器应用。这些类型的设备特别适合于应用，如机器视觉、摄像头、PoE设备(无线接入点、安全摄像头、VoIP电话)、电信应用、工业控制、暖通空调、电动和混合动力汽车、物联网和工业物联网网关。

MxC 200系列ICs支持与低压负载点(PoL)调节器的无缝接口，以提供12V至57V输入电压和调节或非调节PoL解决方案的高效DC-DC转换器解决方案。Buck转换器，根据特定的版本，可以将一个输入电压转换成3个串联输出电压，每个输出电压为输入电压的2分之1，或者单个输出电压为输入电压的4分之1。例如，标称48V输入电压转换为24V、12V和6V输出电压，或者48V输入电压转换为单个12V输出电压。升压变换器的特点是一个乘4，它可以将标称12V的输入电压转换为48V的输出电压。所有设备由多个(两个或三个)MuxCap级组成。MxC 200系列还包括一对设备，可用于创建一个隔离降压或升压转换器，实现了图3所示的相同类型的架构。如前所述，电容性隔离屏障使其无需使用变压器。MxC 300系列包括一个可配置的芯片组，设计用于无变压器的交流-直流转换器，具有高达65W的输出功率。使用电容式隔离屏障，可以将大型变压器从项目中移除，功率密度比传统解决方案提高5至7倍，端到端综合效率达到94%或更高。MxC 300芯片组由位于交流-直流适配器主要侧的电源控制器IC (MxC 310)和位于次要侧的电源管理IC (MxC 300)组成，其任务是降低输出电压值。 Between the two ICs, there is the isolation barrier, made with CapIso technology. The chipset supports an output current up to 3.25V at 20V.

结论

通过其专有和专利技术，MuxCap和CapIso，螺旋半导体提供高效的电容式功率传输解决方案，具有最高的功率密度，适用于AC-DC和DC-DC，降压和升压转换应用。消除隔离变压器的可能性使Helix解决方案不仅具有创新性，而且在成本和尺寸减少方面具有优势。Helix power解决方案甚至可以满足最苛刻的应用，包括交直流转换器(如云服务器)或DC-DC转换器(如电动汽车、太阳能转换和数据中心)。