高能效電源的設計指南
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能效規(guī)范引導高能效電源設計方向
在今天，各國政府也都在大力倡導能源的可持續(xù)發(fā)展，提出了各種環(huán)保指令。在能效規(guī)范和環(huán)保意識的推動下，電源市場正在發(fā)生巨大的變化。據最新調查指出，最大的需求來自計算機電源，其次是液晶電視、電子鎮(zhèn)流器、適配器電源。隨著計算機、液晶電視、筆記本電腦市場的持續(xù)發(fā)展，對于這些產品的高能效電源的需求也在與日俱增。
此外，世界各地的政府機構和行業(yè)組織都紛紛制定相應的能耗規(guī)范標準，除了“80 PLUS”，業(yè)界還對計算機電源提出了更新的節(jié)能要求。近幾年，計算產業(yè)氣候拯救行動(CSCI)提出了更高的節(jié)能要求，也就是計算機電源在20%、50% 和100%負載條件下要達到80%或更高的能效標準和要求。另外，美國于08年推出的“能源之星”電視產品3.0版規(guī)范以及“能源之星”外部電源2.0版規(guī)范和09年推出的“能源之星” （ENERGY STAR?） 計算機5.0版規(guī)范也是旨在提高設備對電能的利用率。能效規(guī)范標準的日益普及要求、所有操作模式的電源轉換具備更高的能效，其中包括降低待機（空載）能耗、提升電源工作效率、采用功率因數校正（PFC）或減少諧波。
實例說明電源設計中改善電路段能效的方法
在一個電源設計中，能效規(guī)范對電路段的挑戰(zhàn)主要體現在PFC能效、主轉換器能效和次級能效幾個方面。要提高這幾個方面的能效，就必須改善如圖1所示電路紅色框中的元件性能。以下將介紹改善電路段能效的幾種方法。
圖1. 改善圖中紅色框元件的性能就可以提升能效。
1.改善PFC能效
改善PFC能效的目標是為了實現功率因數校正短的效率達到96%以上。采用無橋PFC（圖2a）可以減少橋損耗，采用交錯式PFC（圖2b）可以滿足較高功率應用的要求，以提升PFC能效。此外，還可以利用IC技術減少開關損耗，并利用更優(yōu)化的拓撲結構來減少EMI濾波器損耗。
采用安森美半導體的NCP1605高能效待機模式PFC控制器就可以提高PFC輕載能效，進一步降低損耗。該器件采用高壓電流源，外部設定固定開關頻率，并可工作在DCM/CRM模式；可以在待機條件下軟跳周期（Soft-SkipTM）工作；PFC就緒信號可以進行快速線路/負載瞬態(tài)補償；谷底導通可實現過壓保護和欠壓保護；同時還具備輸入欠壓檢測、平滑啟動的軟啟動、過流限制和閂鎖功能。
2. 改善主轉換器段能效
要提高主轉換器能效可以采用以下幾種方法。一是通過降低導通阻抗（開關損耗較高）和/或減小初級峰值電流和均方根電流來降低初級導通損耗；二是考慮采用軟開關技術降低開關損耗；三是通過減少整流器壓降（使用低正向壓降二極管或FET整流器）來降低次級損耗；四是采用更好的磁芯材料來降低磁芯損耗。表1列出了主要軟開關的拓撲結構，可供設計時參考。
表1. 主要軟開關拓撲結
改善次級能效
同步降壓轉換器是提高能效的好方案，采用DC-DC軟開關技術可以進一步提升能效。安森美半導體的NCP4302同步降壓控制器的滿載能效比肖特基二極管高2.5%；而NCP4331后穩(wěn)壓器則比傳統(tǒng)磁放大器的能效高7%，都可以為次級能效的提升做出貢獻。
高能效電源產品應用實例預覽：
為了給大家更詳細地、更系統(tǒng)地講解高能效電源設計的實質內容，我們會在接下來幾講的內容中為大家提供了幾種典型的高效電源參考設計，包括滿足個人電腦電源能效趨勢以及提升液晶電視能效方面的要求上的內容，還將為大家講述太陽能充電控制器設計和高能效智能電表電源方案。
1．筆記本電腦電源適配器設計
伴隨著越來越多的筆記本用戶要求高性能、小尺寸或低重量的筆記本，同時價格適宜。對于電源適配器設計人員而言，就要選擇適合的控制器，用于開發(fā)高能效、集成豐富保護特性、尺寸小巧的適配器。從大多數用戶的使用情況來看，筆記本電腦有相當的時間內會處在輕載或待機條件下。與提高 25%、50%、75%或 100%負載條件下的能效相比，降低極低負載條件甚至是待機條件下的能耗及提升能效更具挑戰(zhàn)性。這就要求電源控制器具備極佳的輕載或待機能耗性能。
在第二講的內容我們將會為大家講解采用NCP1250/NCP1251反激控制器制作出符合筆記本電腦電源適配器要求的設計實例。由于NCP1250/1是集成了應用高密度電源適配器所需的關鍵特性，如非耗散型過功率保護、能夠應用過溫保護、小封裝(TSOP6)及 Vcc 引腳過壓保護(OVP)(僅 NCP1251)等。NCP1250/1 在提供高工作能效的同時，通過采用頻率反走技術及跳周期模式，在輕載或待機模式下的能耗極低，從而能夠在完整負載范圍內提供高能效。
2．臺式計算機、平板電視的高效能電源控制器方案
計算機、服務器及平板電視向來是能效規(guī)范機構的重要目標，這些設備必須在滿足高性能的同時符合最新能效要求。在第三講的內容我們將介紹應用于計算機ATX電源及平板電視的高能效、高性能功率因數校正(PFC)及半橋諧振雙電感加單電容(LLC)組合控制器NCP1910的主要特性及電源段的應用設計要點，幫助工程師更好地采用NCP1910進行相關的電源設計。
3．高能效太陽能充電控制器設計
第四講將為大家介紹一款太陽能電池控制器NCP1294，用來實現太陽能電池板的最大峰值功率點跟蹤（MPPT），以最高能效為蓄電池充電。由于NCP1294 是一款固定頻率電壓模式 PWM 前饋控制器，包含電壓模式運作所需的所有基本功能。作為支持降壓、升壓、降壓-升壓及反激等不同拓撲結構的充電控制器，NCP1294針對高頻初級端控制操作進行了優(yōu)化，具有逐脈沖限流及雙向同步功能，支持功率最高140 W 的太陽能板。這款器件提供的 MPPT功能能夠定位最大功率點，并實時根據環(huán)境條件來調節(jié)，使控制器保持接近最大功率點，從而從太陽能板析取最大的電量，提供最佳的能效。
4. 高能效智能電表電源方案
從智能電表的組成來看，主要包括通信、電源及電源管理、計量及存儲等功能模塊。就電源及電源管理模塊而言，第四講的內容將為大家提供包括高壓交流-直流(AC-DC)開關穩(wěn)壓器、直流-直流(DC-DC)開關穩(wěn)壓器/控制器和低壓降(LDO)線性穩(wěn)壓器等設計方案，以方便讀者根據具體應用選擇適合的方案。這些電源方案具有高能效、低能耗及豐富保護特性等特點，將會成為是智能電表未來的發(fā)展趨勢之一。
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