小小的電源開關(guān)可如何拯救世界

幾乎所有功耗超過(guò)1W的電子產(chǎn)品都帶有開關(guān)模式的電源子系統(tǒng)。事實(shí)上，也很難想象有任何產(chǎn)品不是這樣。為了提高應(yīng)用產(chǎn)品在整個(gè)生命周期上的效率，且降低成本，業(yè)界嘗試了大量的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法。其中，對(duì)電源開關(guān)進(jìn)行改進(jìn)所獲得的效果仍然是最大的。而最新一代的功率MOSFET和IGBT可實(shí)現(xiàn)最高水平的集成度，能夠滿足并超出業(yè)界日益強(qiáng)制性的新能效規(guī)范，從而改變了應(yīng)用前景。

從生態(tài)設(shè)計(jì)環(huán)境來(lái)看，一個(gè)產(chǎn)品從原材料開始，經(jīng)過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，然后運(yùn)送到終端客戶手中，繼而使用、回收，再加上后續(xù)消耗，其總價(jià)值鏈相當(dāng)長(zhǎng)。在這個(gè)生命周期的每一個(gè)階段，必須考慮到能耗和有害廢物的產(chǎn)生，并對(duì)其影響進(jìn)行量化。“有害”的排放物包含熱、廢水、溫室氣體、工藝化學(xué)材料等，在運(yùn)輸和使用階段溫室氣體排放更多，而在回收處理時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多的化學(xué)物質(zhì)和垃圾。若以金錢來(lái)量化上述所有影響，并將之累加起來(lái)，其總和被稱為“生命周期成本 (lifecycle cost)”。

顯然，在這個(gè)例子中，少即是多。應(yīng)該怎么做呢?由于一般通過(guò)提高工作模式和待機(jī)模式下的效率可獲得最大效果 (至少對(duì)耗能產(chǎn)品如此)，故我們必須把注意力轉(zhuǎn)向電源和電動(dòng)電機(jī)。

我們?nèi)粘Ｉ钪械拇蠖鄶?shù)應(yīng)用產(chǎn)品都包含了功率轉(zhuǎn)換或運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)，如圖1所示。把這種應(yīng)用前景一分為二有助于解決問(wèn)題。

功率轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)主要解決所有AC-DC和DC-DC轉(zhuǎn)換問(wèn)題。在常用拓?fù)渲校^大多數(shù)都是利用開關(guān)模式轉(zhuǎn)換電路把一種直流電轉(zhuǎn)換為另一種直流電。即使是在脫機(jī)電源中，輸入端的首要部件之一也是整流器，因此，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，大多數(shù)情況下，AC-DC電源實(shí)際上就是一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器。

運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)的基本工作原理截然不同。在這里，輸入是直流電用于產(chǎn)生交流波形，這種適當(dāng)?shù)牟ㄐ问闺姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。有時(shí)這些系統(tǒng)可以稱作DC-AC，有時(shí)它又被稱為變頻器。大部分電機(jī)都有三相，這些逆變器帶三個(gè)輸出端，仍使用開關(guān)模式電路來(lái)生成相移波形，供電機(jī)所用。三相實(shí)際上是確定旋轉(zhuǎn)方向并使電機(jī)從要求的方向開始 (DC有刷和開關(guān)磁阻電機(jī)例外) 所需的最小相數(shù)。

圖1 大多數(shù)應(yīng)用產(chǎn)品都包含功率轉(zhuǎn)換或運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)

推動(dòng)這三者進(jìn)步的主要驅(qū)動(dòng)力量是所用開關(guān)和控制電路的性能提高;電源電子系統(tǒng)集成度不斷提高的趨勢(shì);以及設(shè)備制造商價(jià)值鏈的改變。例如，許多制造商視電源為畏途，因?yàn)樗y以設(shè)計(jì)、成本高，而且產(chǎn)熱，卻沒(méi)有增加終端產(chǎn)品的銷售優(yōu)勢(shì)，也沒(méi)有增加其功能性。廠商更關(guān)注的往往是產(chǎn)品中對(duì)他們更重要的其它方面。在這些情況下，電源設(shè)計(jì)必須訴諸于其它地方，而半導(dǎo)體供應(yīng)商能夠通過(guò)提供出色的解決方案支持在此發(fā)揮重大作用。