【評測】DER-931：72W工業及電器電源模塊

大家好！本次給大家評測的是PI PowiGaN技術的電源模塊：72W工業及電器電源（基于InnoSwitch4-CZ、ClampZero和MinE CAP）。

打開快遞看到電源模塊的第一感覺就是“模塊小”——這能量密度得多高呀！要知道這個可是工業電源。于是，先為大家展示一下PI的這款72w電源模塊的三圍吧！

從上面的圖片上可以看出PI設計的這款電源模塊非常緊湊，長僅68毫米，寬僅30毫米。輸入端兩顆大電容，輸出端兩顆大電容，耐壓400v和16v，對兩端進行穩壓濾波。中間還有兩個繞線電感和一個大變壓器。同樣，用料十足。當然，還有安規電容，Y電容等。畢竟接入220v的市電，安全方面可一點兒都不能省。

翻到PI模塊的背面，可以看到三個大大的芯片，從右往左依次為U1 MinE CAP芯片，U2 ClampZero芯片和U3 InnoSwitch4-CZ三款芯片。

這三大芯片也是實現在小體積下輸出穩定的12V6A的電源的核心。下面我們來了解一下這三個芯片：

U1 MinE CAP芯片

MinE-CAP芯片，適用于超大功率密度AC/DC變換器的大電容小型化和浪涌管理芯片。

MinE-CAP芯片可大幅縮小輸入大容量電容的尺寸，而不會影響輸出紋波、工作效率或無需重新設計變壓器。與傳統技術（如極高開關頻率工作）相比，采用PowiGaN技術的MinE-CAP可實現同等或更大的整體電源尺寸縮小，同時可避免與極高頻設計相關的復雜EMI濾波和變壓器/箝位耗散增加的挑戰。其先進的保護/安全特性，包括：

? 集成溫度檢測及滯回熱關斷

? 輸入浪涌保護

? 引腳開路/短路和E-CAP欠壓/過壓故障報告

U2 ClampZero芯片

ClampZero IC與InnoSwitch4系列IC搭配使用，可消除由鉗位電路和初級開關的開關損耗所造成的能量浪費。這極大地提高了電源效率，使其輕松超過95%，同時保持了反激式架構的設計靈活和元件數目低的特點。

ClampZero IC是一個有源鉗位電路，可以回收原本浪費的漏感能量。ClampZero集成了一個高壓側功率開關和電平變換自偏置控制器，該控制器可以從連接于InnoSwitch4初級控制器的低壓側收發器接收通信信息。

ClampZero與InnoSwitch4相結合，可確保在所有輸入電壓以及在CCM和DCM工作模式下的零電壓開關，從而實現高度靈活的有源鉗位反激式解決方案。在與InnoSwitch4 IC搭配使用的典型應用中，低開關損耗允許使用高開關頻率，從而最大限度地減小變壓器的物理尺寸并實現極小的PCB占板面積。

其主要產品特色，高度集成，外形緊湊。如：

? 消除InnoSwitch4初級開關中的開關損耗

? 回收再利用漏感能量

? 顯著提升電源效率

? 與InnoSwitch4平滑對接

? 直接由InnoSwitch4的旁路引腳供電

? 啟動時自偏置供電

? 在DCM和CCM兩種模式下工作

U3 InnoSwitch4-CZ芯片

InnoSwitch4-CZ系列IC與ClampZero系列有源鉗位IC搭配使用，可大幅提高反激式功率變換器的效率，特別適用于那些具有緊湊外形要求的變換器設計應用。InnoSwitch4-CZ產品系列將初級和次級控制器以及符合安全標準的反饋機制集成于一個單個IC當中。

InnoSwitch4-CZ與ClampZero相結合，大大降低了系統和初級開關的損耗，可以實現極高的功率密度。InnoSwitch4-CZ還集成了多項保護特性，包括輸出過壓、過流限制以及過溫關斷保護。所提供的器件均支持鎖存與自動重啟動保護模式的常用組合，這是充電器、適配器、消費電子產品和工業系統等應用所要求的特性。

? 可為ClampZero（有源鉗位IC）提供驅動的零電壓開關(ZVS)反激式控制器

? 耐用的750V PowiGaN初級開關

? 高達140kHz的穩態開關頻率降低了變壓器尺寸

? 集成同步整流驅動器和次級側檢測

? 內部集成的FluxLink?技術，使得反饋鏈路滿足HIPOT（高壓絕緣）要求

? 優異的恒壓/恒流精度，不受外部元件的影響

? 采用外部電流檢測電阻，輸出電流精確可調

看完了PI電源模塊上的芯片，我們再來看看PCB設計。可能由于體積緊湊的原因。

本模塊采用了雙層PCB設計。這是較其它工業電源單面板大不相同。我個人覺得單面板和雙面板的價格也不是那么的敏感了吧！

在PCB設計上面，PI在設計上還有這種鋸齒狀的設計（圖五左下部）。您知道是做什么用的嗎？

中國乃至全球都在構建節約型社會，”低碳、減碳“也是全球各個行業的共識。中國在這方面為世界做出榜樣。在工業生產領域，工業電源作為核心能源供應設備，其性能直接關乎整條生產線的穩定與效率。隨著全球能源危機加劇與環保意識的提升，工業設備的能效表現愈發受到重視。空載功耗，即工業電源在接通電源但未連接負載狀態下的能量損耗，不僅反映電源的節能水平，更與企業長期運營成本緊密相關。空載功耗無法完全消除，所以極低的空載功耗也就是高性能，優秀電源的品質之一。

基于PI PowiGaN技術的72W電源模塊的空載功耗又如何呢？今天就為大家揭曉。

我們先來看看本次參與評測的測量設備吧！

萬用表

勝利VC9807+數字萬用表，我的老伙伴了。本次將使用它來測量電源模塊的輸入電流和輸出電壓。

示波器

優利德UTD2102CEX 100MHz 1GS/s 雙通道數字示波器。本次將使用它來測量電源模塊的輸出紋波。

負載電壓

兩個功率電阻，規格均為 4歐姆，50W。本次測試將通過兩個功率電阻的串并聯組合來提供輕載，重載和滿載的負載情況。

由于PI的電源模塊原為測試柱連接方式，我手里沒有支持220V的測試夾具，所以，我這里把測試柱焊下來了，替換為了導線，方便我的連接，這樣對于本次測試安全性也提高不少。

儀器設備準備就緒，接下來我們就開始吧！

我們首先測量一下PI的空載輸出電壓值：

從上圖我們可以清楚看到72W工業電源模塊的空載輸出電壓為+11.952V。額定輸出標稱電壓值為+12V，按當前輸出結果計算輸出的偏差為0.4%。這個精度對于工業電源模塊來說完全符合預期，甚至超出了預期。而官方給的datasheet還是非常保守的2%——應該是給重載或滿載預留的余量吧！

我們再通過示波器觀察一下空載輸出的電源紋波

從上面的示波器截圖也可看到72W工業電源模塊在空載輸出時負載輸出相當穩定。可以看出PI公司在電源設計時對于空載情況肯定有特殊處理。

接下來我們再來看看72W工業電源模塊的靜態輸入電流是多少？

是0.02mA！72W工業電源模塊的靜態輸入電流僅為0.02mA。如果按220v的市電電壓計算，PI公司的該款電源模塊的靜態功耗僅為6.6mW。官方的datasheet上標注的是小于50mW，看來我這塊電源模塊屬于優質，上等品質了。運氣不錯！

最后，我們來回復一下上一期帖子中提到的”鋸齒狀“PCB焊盤設計的問題。

這個”鋸齒狀“PCB焊盤設計稱為”放電齒“，用于ESD或浪涌保護，設置在高壓元件（如共模電感）兩端，通過空氣放電釋放高壓，避免損壞后級電路。

做為一個工業電源，帶載測試必不可少！標稱輸出12V，如果事載時電壓應該依然為標稱12V，并持續穩定輸出。說了這么多，不如實際檢測查看一下。

在負載的選擇上面，我們使用兩個4歐的電阻來實現。我們首先將兩個4歐電阻串聯組成一個8歐的電阻負載。從理論上講，12V輸出掛載一個8歐負載則輸出功率為18W，為額定輸出功率的1/4.我們通過萬用表觀察其輸出的穩定性，并使用示波器觀察輸出紋波。

當負載為8歐電阻時，通過萬用表的讀數，我們可以看到12V輸出略有下降，由原來空載時的11.952V降壓到了11.882V，下降了0.07V，這個輸出電壓下降率僅有0.6%，還是相當相當低的。從示波器觀察來看，輸出的紋波有318mV。

接下來，我們使用單個4歐電阻做為輸出負載，這樣算下來工業電源模塊的輸出將有36W，即負載率為50%。我們依舊使用萬用表來觀察輸出電壓，使用示波器來觀測紋波。

當負載為4歐電阻時，通過萬用表的讀數，我們可以看到12V輸出再次略有下降，由原來空載時的11.952V降壓到了11.831V，下降了0.121V，這個輸出電壓下降率有1%。從示波器觀察來看，輸出的紋波有308mV。

實驗繼續做，我們使用兩個4歐電阻并聯做為輸出負載，這樣算下來工業電源模塊的輸出將有72W的滿載，即負載率為100%。我們依舊使用萬用表來觀察輸出電壓，使用示波器來觀測紋波。

當負載為2歐電阻時，通過萬用表的讀數，我們可以看到12V輸出有所下降，由原來空載時的11.952V降壓到了11.686V，下降了0.266V，這個輸出電壓下降率有2%。從示波器觀察來看，輸出的紋波有328mV。

總結

我們把測試測量的結果列表來一并觀察

序號

負載

輸出功率

輸出電壓

輸出紋波

1

0

0

11.952V

8mV

只有一個小尖峰，應該是針對空載時進行特殊設計，以降低空載損耗

2

8歐

18W

11.882V

318mV

疑似線纜損耗

3

4歐

36W

11.831V

308mV

疑似線纜損耗

4

2歐

72W

11.686V

328mV

疑似線纜損耗

通過實驗對比，我們看到隨著負載的增加，電源模塊的輸出電壓有所下降。這個下降損耗多數情況是屬于正常現象，一方面設計原理所至；另一方面是由于本次測量非專業實驗室測量，我的輸出測試電纜的容量不滿足設計容量，如果更換為較粗的線纜負載輸出壓降的現象應該會得到明顯的緩解.。

PI PowiGaN技術的72W電源模塊的輸出特性非常適合工業電源應用場景，不僅體積小，緊湊，而且輸出效率高，提供較大電流。像我們的芯片原型驗證平臺產品之前使用ATX開關電源來提供多路12V電源，由于ATX電源體積較大，還只能為其提供較大的空間。如果有機會換用PI PowiGaN技術的電源模塊，我們可以將其放置于更近于功能模塊的位置，不僅大大縮小產品整體體積，而且可以提供充足的電力功率。最關鍵的，當某個模塊不使用時，我們可以只將我們的模塊關閉，以大幅降低整體的空載功耗。而且，當客戶不需要部分模塊時，我們可以連電源模塊一并取消，有效降低產品的成本，增加產品的市場競爭力。

致謝

感謝PI公司提供72W電源模塊，感謝EEWorld論壇提供這次試用機會。感謝在試用過程中提供意見和建議的網友們。謝謝你們，我們論壇常見！

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