更加“綠色”的電源剛出現(xiàn)

凌力爾特公司
電源產(chǎn)品部
產(chǎn)品市場經(jīng)理
Tony Armstrong

引言

　　從政府部門到僅僅是單純的環(huán)保意識使然，對較高能效的需求受到各方面多種因素的驅(qū)動(dòng)。因此，大多數(shù)工業(yè)化國家都認(rèn)識到，需要節(jié)能。這是因?yàn)殡S著人口增加，對能量的需求也增加了，人們需要能量為新住戶的加熱/冷卻系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和家用電器供電。不僅建立新的發(fā)電設(shè)施需要大量資金，將產(chǎn)生的電能輸送到用戶處成本也很高昂。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，與建立新的發(fā)電設(shè)施相比，將大多數(shù)家用電器目前的能耗降低 15% 到 20% 是更經(jīng)濟(jì)的做法。

　　我們來看一下服務(wù)器的功耗 (支撐互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行、傳送成幾百萬份 YouTube 視頻、保持經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)的大功率計(jì)算機(jī))，從 2000 年到 2005 年，服務(wù)器使用的電能翻了一番，到 2010 年，可能再增長 75%。換一個(gè)角度來看，在 2005 年，保持 Google、微軟、雅虎等互聯(lián)網(wǎng)巨擘的數(shù)據(jù)中心運(yùn)轉(zhuǎn)所需的電量相當(dāng)于 14 個(gè) 1,000MW 的發(fā)電廠發(fā)出的電量。

　　在美國，僅“服務(wù)器市場”消耗的電能就足夠讓 5 個(gè)這樣的巨型發(fā)電廠日夜不停地運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，IDC 最近發(fā)布的一份研究報(bào)告估計(jì)了全球由于計(jì)算而使用的電能，從這份報(bào)告可以推斷出，2005年，美國服務(wù)器市場消耗的電能是美國所發(fā)總電能的 1.2%。供電公司因這些電能消耗而進(jìn)賬 27 億美元。從這些數(shù)據(jù)很容易理解，僅在美國，在這樣的電量消耗水平上，每年節(jié)省 1% 的電能就可能節(jié)省 2700 萬美元。

一種更加“綠色”的方式

　　由于建立新的發(fā)電設(shè)施成本很高，因此很多國家已經(jīng)采取了所謂的“綠色政策”，即鼓勵(lì)制造商在最終產(chǎn)品中納入節(jié)能技術(shù)。就用在節(jié)能 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的電源管理集成電路而言，必須有兩個(gè)主要特點(diǎn)。首先，必須有非常高的轉(zhuǎn)換效率。其次，在備用和停機(jī)模式必須具有低靜態(tài)電流，以最大限度地降低功耗。

　　一個(gè)集成電路的效率越高，它在轉(zhuǎn)換過程中消耗的電能就越少。例如，考慮用于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)不同的集成電路，假定向設(shè)備負(fù)載提供 5A/5V（25W）的電流和電壓。如果第一個(gè)集成電路的效率為 95%，那么我們可以得出：

　　Pout/效率 = Pin，
　　或者，在這種情況下，Pin = 25/0.95 = 26.3W

　　如果第二個(gè)集成電路的效率僅為 77%，那么我們得出：

　　　　　　　　Pin = 25/0.75 = 33.3W

　　如我們所看到的那樣，在這個(gè)例子中，能量差別是 7W。因此，在第二種情況下，必須多發(fā) 7W才能為該設(shè)備供電。這不僅增加了對電能的需求，而且還給系統(tǒng)的熱量設(shè)計(jì)增加了額外的負(fù)擔(dān)，因?yàn)?DC/DC 轉(zhuǎn)換器還必須散出這些轉(zhuǎn)換成熱量的功耗。

　　類似地，如果一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器具有大的靜態(tài)電流，那么它在工作時(shí)就需要更多功率（和能量）。考慮一個(gè)采用 4 至 5 個(gè)不同負(fù)載點(diǎn)（POL）轉(zhuǎn)換器的設(shè)備，總能耗很快就會(huì)達(dá)到一個(gè)不容忽視的數(shù)字。通過降低靜態(tài)電流，可以切切實(shí)實(shí)地節(jié)省能量。

　　多年來，在由電池供電的手持式產(chǎn)品領(lǐng)域，對這類電源管理集成電路的需求一直存在。不過現(xiàn)在，在電信和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及電視機(jī)、電冰箱等家用電器中，能實(shí)現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換并具有低靜態(tài)電流的集成電路也正在變得越來越流行。

降低大功率系統(tǒng)的功耗

　　在很多“大功率”系統(tǒng)中，空間和冷卻系統(tǒng)的成本都很高。因此，就任何 POL 轉(zhuǎn)換器而言，做到緊湊、高效率并具有低靜態(tài)電流以滿足新的“綠色”標(biāo)準(zhǔn)都是極為重要。另外，很多微處理器和數(shù)字信號處理器（DSP）都需要一個(gè)內(nèi)核電源和一個(gè)輸入/輸出（I/O）電源，這些電源在啟動(dòng)時(shí)必須排序。設(shè)計(jì)師們必須考慮在加電和斷電操作時(shí)內(nèi)核和 I/O 電壓源的相對電壓和時(shí)序，以符合制造商的性能規(guī)格要求。沒有恰當(dāng)?shù)碾娫磁判?，就可能出現(xiàn)閉鎖或過大的電流消耗，這有可能導(dǎo)致微處理器 I/O 端口損壞，或存儲器、可編程邏輯器件（PLD）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等支持性器件的 I/O 端口損壞。

　　在高性能、大功率電源設(shè)計(jì)不斷需要更多功率的同時(shí)，它們在可用電路板空間上卻越來越受到限制。此外，功率密度給電源設(shè)計(jì)師帶來了極大的挑戰(zhàn)，不管設(shè)計(jì)師經(jīng)驗(yàn)是否豐富都一樣。一般情況下，要求這些電源設(shè)計(jì)具有高于 90% 的轉(zhuǎn)換效率，以限制電源的功耗和溫度。因此，電源設(shè)計(jì)的熱性能尤其重要，因?yàn)橹挥泻苄〉目臻g用來散出 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換損耗產(chǎn)生的熱量，空氣流動(dòng)也有限。另外，這些電源必須有卓越的輸出紋波和瞬態(tài)響應(yīng)特性，同時(shí)還要限制所需的外部電容量，以減小電源設(shè)計(jì)的總體尺寸。

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　　凌力爾特公司面向“綠色”電源系統(tǒng)的產(chǎn)品具有很多獨(dú)特的性能優(yōu)勢。例如，我們已經(jīng)推出了適用于總線轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的集成電路，如用于實(shí)現(xiàn)同步正向轉(zhuǎn)換器的多相（PolyPhase®）副端控制器 LTC3706。當(dāng)與凌力爾特公司的柵極驅(qū)動(dòng)器和主端控制器 LTC3705 一起使用時(shí)，兩個(gè)器件組合形成了一個(gè)完整的隔離式電源，這個(gè)隔離式電源兼有多相工作的優(yōu)勢和副端控制的速度。LTC3706 簡化了高效率、副端正向轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。LTC3705 和 LTC3706 形成了一個(gè)堅(jiān)固和自啟動(dòng)的轉(zhuǎn)換器，無需副端控制應(yīng)用中常用的獨(dú)立偏置穩(wěn)壓器。此外，一個(gè)專有電路通過單個(gè)纖巧型脈沖變壓器對柵極驅(qū)動(dòng)信號以及隔離勢壘兩端的直流偏置電源進(jìn)行多路轉(zhuǎn)換。
 
　　用于 POL DC/DC 轉(zhuǎn)換的另一個(gè)有趣的集成電路是 LTC3736-1，這是一個(gè)兩相、雙路同步降壓型開關(guān)控制器，具有驅(qū)動(dòng)外部互補(bǔ)功率 MOSFET 的跟蹤功能。其具有 MOSFET VDS 檢測功能的恒定頻率、電流模式架構(gòu)無需電流檢測電阻，降低了成本，提高了效率。由于輸入電容器的 ESR，讓兩個(gè)控制器不同相工作最大限度地降低了功耗和噪聲。LTC3736-1 獨(dú)特的擴(kuò)展頻譜架構(gòu)在 450kHz 至 580kHz 范圍內(nèi)隨機(jī)改變開關(guān)頻率，極大地降低了輸入和輸出電源上的峰值輻射和傳導(dǎo)噪聲，因此更容易符合國際 EMI 標(biāo)準(zhǔn)。脈沖跳躍工作提高了輕負(fù)載時(shí)的效率，100% 占空比實(shí)現(xiàn)了低壓差工作。
 
　　LTC3409 是一種 600mA、高效率、單片同步降壓型轉(zhuǎn)換器，采用恒定頻率、電流模式架構(gòu)，參見圖 1。除了同步到 1MHz 至 3MHz 外部時(shí)鐘的內(nèi)部鎖相環(huán)，該器件還支持 1.5MHz 和 2.25MHz 的固定頻率。這個(gè)開關(guān)頻率范圍允許使用小型表面貼裝電感器和電容器。以突發(fā)模式（Burst Mode®）工作時(shí)的電源電流僅為 60uA 至 80uA，停機(jī)時(shí)降至低于 1uA。1.6V 至 5.5V 輸入電壓范圍使 LTC3409 非常適用于 5V、2.2V 或 2.5V 電源軌的 POL 應(yīng)用。用鋰離子電池輸入，LTC3409 在輸出電流高達(dá) 600mA 時(shí)能提供 1.5V 輸出，具有超過 90% 的效率。
　
                      圖 1：適用于 POL 應(yīng)用的 LTC3409 的原理圖

　　還有高效率、三相 DC/DC 控制器 LTC3773，該器件能夠處理高達(dá) 36V 的輸入，并能夠以每相超過 15A 的電流支持單路、雙路或 3 路 0.6V 至 5V 的輸出電壓。這些相位中的兩個(gè)可連接在一起以產(chǎn)生一個(gè) 30A 的輸出，在這種情況下，兩個(gè)通道可以反相工作，以最大限度地減小輸入電容器上的壓力。所有 3 個(gè)通道都可以調(diào)節(jié)單一輸出，提供超過 45A 的電流。每個(gè)通道都可以按比例制或重合配置跟蹤，還可以用很少的外部組件順序啟動(dòng)或禁止這些通道。所有 3 個(gè)通道都禁止時(shí)，該控制器在停機(jī)模式一般僅消耗 18uA 電流。在輕負(fù)載時(shí)，LTC3773 可以工作在突發(fā)模式以最大限度地提高效率，也可以工作在強(qiáng)制連續(xù)模式（恒定頻率工作以實(shí)現(xiàn)最小紋波），或者在二者之間折衷，工作在脈沖跳躍模式。

　　開關(guān)頻率可以鎖相到 160kHz 至 700kHz 的外部頻率源，或者可以用 PLLFLTR 引腳上的 DC 電壓設(shè)置。也可用典型的 220kHz、400kHz 和 560kHz 引腳可選頻率。不管在哪一種情況下，CLKOUT 引腳都表示相對于通道 1 的開關(guān)頻率處于 0o、60o 至 180o 的工作頻率，在多個(gè)控制器集成電路用同一組輸入電容器工作時(shí)，這個(gè)特點(diǎn)很有用。

　　在非常小的占板空間中需要 3 個(gè) 15A 的輸出時(shí)，LTC3773 是一個(gè)明顯的選擇。圖 2 所示是單個(gè)控制器的原理圖，用一個(gè)不嚴(yán)格穩(wěn)定的電源提供 3 個(gè)低壓、大電流輸出。
　 
   圖 2：LTC3773 的 3 個(gè)獨(dú)立輸出，用單一 4.5V 至 22V 電源提供 2.5V、1.8V 和 1.2V 電壓

　　與單相開關(guān)穩(wěn)壓器相比，兩相轉(zhuǎn)換器加在輸入電容器上的紋波電流較小，因此減小了尺寸和成本。這種方法讓開關(guān)的電流脈沖交錯(cuò)，極大地縮短了重疊在一起的時(shí)間。較小的紋波電流意味著較低的功耗和較高的效率以及減少了電磁干擾。兩相轉(zhuǎn)換器還將有效的開關(guān)頻率倍增，從而降低了輸出紋波電壓。

更加“綠色”的電源剛出現(xiàn)

　　很明顯，電氣系統(tǒng)節(jié)能正在成為全球熱點(diǎn)。發(fā)電成本和耗電成本的節(jié)省太令人關(guān)注了，這個(gè)世界上誰都不能忽視這個(gè)問題。很多電源管理集成電路供應(yīng)商都在積極迎接這一挑戰(zhàn)。這些供應(yīng)商采用了新的設(shè)計(jì)方法，其產(chǎn)品在數(shù)十安培負(fù)載電流時(shí)實(shí)現(xiàn)了高效率轉(zhuǎn)換。同時(shí)，這些集成電路在備用或停機(jī)模式時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了較低的靜態(tài)電流。

　　所有這些努力對社會(huì)都有潛在好處。通過降低電氣系統(tǒng)消耗的功率，可以減少增加發(fā)電廠的需求。這意味著，減少了新建發(fā)電廠占用的土地以及新建發(fā)電廠運(yùn)轉(zhuǎn)所需的燃料，并減少了排放到周圍環(huán)境中有害物質(zhì)，減輕了污染問題。因此，我們正在齊心協(xié)力讓地球變得更美好，讓下一代擁有一。