致力于“綠色”電源技術(shù)

安森美半導(dǎo)體

　　人們在日常工作和生活中廣泛使用著各類電子電器設(shè)備。這些設(shè)備不僅工作時(shí)所消耗的電能巨大，而且其在待機(jī)狀態(tài)下仍然消耗不少的電能。有鑒于此，各國政府和國際組織紛紛頒布并施行各種節(jié)能規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。具體而言，電子電器設(shè)備的綠色節(jié)能法規(guī)主要從電源工作效率、待機(jī)能耗和功率因數(shù)這三個(gè)方面入手。

先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)和方案讓電源更加“綠色”節(jié)能

　　要使電子電器設(shè)備更加“綠色”節(jié)能，一般需要從提高電源工作效率、改善功率因數(shù)和降低待機(jī)能耗等方面下功夫。以計(jì)算機(jī)電源為例，其功率損耗的來源大致如圖1所示。要提高其電源效率，就要提高每一段(Stage)的效率，并盡力減少功率處理段的數(shù)量。
　
                      圖1：計(jì)算機(jī)電源不同段的功率損耗所占比例

　　對(duì)于功率因數(shù)校正(PFC)段而言，首先要確定它采用哪種工作模式，如連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)或臨界導(dǎo)電模式(CRM)等。針對(duì)這兩種模式，安森美半導(dǎo)體都能夠提供能效高于93%的解決方案，如NCP1606和NCP1654等，超過諸多法規(guī)的要求。其中，就CCM模式而言，要實(shí)現(xiàn)更高的效率，可以采用以下策略：
　　1) 優(yōu)化開關(guān)選擇(輕載時(shí)開關(guān)損耗占主導(dǎo)，更傾向于建議犧牲導(dǎo)通電阻Rds-on，以獲得更快的開關(guān)速度)；
　　2) 采用軟恢復(fù)升壓二極管；
　　3) 選擇合適大小的電感，以降低電感中的銅線損耗(磁芯損耗較小)

　　而對(duì)于非連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)或CRM而言，要實(shí)現(xiàn)更高的效率，建議的策略如下：
　　1) 優(yōu)化電感磁芯，以降低磁芯損耗和高頻繞組損耗；
　　2) 選擇更低的Rds-on開關(guān)；
　　3) 不須過于在意升壓二極管的選擇。

　　圖2a和2b別顯示了安森美半導(dǎo)體NCP1606和NCP1654在不同功率和模式應(yīng)用下的能效。其中，從圖2a我們可以看出，它在CRM工作模式時(shí)，輕載狀態(tài)下的能效更高，因?yàn)檩p載時(shí)開關(guān)損耗較低。
　
　
                        圖2a：基于NCP1606的240 W CRM PFC能效(Vin = 100 Vac)
                        圖2b：基于NCP1654的300 W CCM PFC能效(Vin = 110 Vac)

　　而在主開關(guān)電源段，要提高其能效，可采取以下策略：
    1)降低初級(jí)側(cè)的導(dǎo)電損耗。具體的做法是：降低導(dǎo)通阻抗(更高開關(guān)損耗)和/或降低初級(jí)側(cè)峰值電流及均方根(RMS)電流；
　　2)降低開關(guān)損耗(考慮軟開關(guān)技術(shù))；
　　3)次級(jí)側(cè)損耗：減少整流器壓降(使用低Vf二極管或FET整流器)；
　　4)降低磁芯損耗：采用更好的材料。

　　針對(duì)計(jì)算機(jī)高能效電源解決方案的需求，安森美半導(dǎo)體近期還推出了率先滿足美國能源之星對(duì)臺(tái)式計(jì)算機(jī)ATX電源性能要求的300W GreenPoint ATX參考設(shè)計(jì)。該參考設(shè)計(jì)在高電壓輸入時(shí)可以達(dá)到86.5%的滿載高能效，在20%負(fù)載和低電壓輸入時(shí)則達(dá)82.5%能效，和目前市場上常見平均 70%能效的電源比較，該設(shè)計(jì)可以降低電源損耗達(dá)50%。此外，安森美半導(dǎo)體的ATX參考設(shè)計(jì)還符合IEC61000-3-2功率因數(shù)要求。

　　如前所述，電子電器設(shè)備的待機(jī)能耗非常驚人，世界各地的相關(guān)法規(guī)也非常之多。作為產(chǎn)業(yè)鏈上游的半導(dǎo)體公司，也積極運(yùn)用各種技術(shù)來幫助降低電源的待機(jī)功耗。

　　而要解決待機(jī)能耗問題，同樣必須搞清楚損耗在哪里。在電源電路中，通常的待機(jī)損耗來自啟動(dòng)電路、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)損耗、偏置電路、輸出整流器、磁性元件等。電源管理芯片可以通過集成一些功能和技術(shù)，針對(duì)上述待機(jī)損耗來源制定相應(yīng)對(duì)策來實(shí)現(xiàn)待機(jī)功能。常見的待機(jī)技術(shù)有跳周期、頻率回走等。

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　　1)高壓啟動(dòng)和動(dòng)態(tài)自供電。安森美半導(dǎo)體很多電源管理芯片內(nèi)置高壓電流源，可以直接從高壓端與電源芯片相連啟動(dòng)電源。當(dāng)電源啟動(dòng)后輔助電源工作VCC開始工作，內(nèi)部高壓電流源關(guān)斷由VCC供電。這樣既可以降低啟動(dòng)損耗又可以有效保證啟動(dòng)時(shí)間。另外，安森美半導(dǎo)體的專利技術(shù)動(dòng)態(tài)自供電(DSS)可以省去啟動(dòng)電阻并無需從變壓器引出VCC線圈(圖3），該技術(shù)在某些應(yīng)用如CRT的待機(jī)設(shè)計(jì)中可以起到獨(dú)特的作用將待機(jī)損耗降至極低。
　
                                     圖3： 動(dòng)態(tài)自供電示意圖。
　　2)跳周期。跳周期是一種常用的降低待機(jī)功耗方法。安森美半導(dǎo)體電源管理芯片可以內(nèi)部集成比較器，通過監(jiān)測反饋信號(hào)，當(dāng)負(fù)載降低時(shí)使驅(qū)動(dòng)信號(hào)處于非連貫的簇脈沖替代連續(xù)脈沖。
　　
                                圖4：跳周期示意圖。
　　3)頻率回走。頻率回走常用于小功率的應(yīng)用。所謂的頻率回走是指當(dāng)負(fù)載降低時(shí)，通過將原有的開關(guān)頻率降低來減少開關(guān)損耗。安森美半導(dǎo)體的PWM控制器NCP1351采用這種待機(jī)形式，在輕載或空載時(shí)延長Toff時(shí)間是開關(guān)品率降低已達(dá)到省點(diǎn)的目的。在充電器的應(yīng)用中可以達(dá)到0.3 W以下的待機(jī)水準(zhǔn)。

　　除此之外，安森美半導(dǎo)體的一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)就是軟跳周期技術(shù)。最新推出的NCP1271增強(qiáng)型PWM電流模式控制器采用軟跳周期技術(shù)來控制峰值電流并消除一些開關(guān)脈沖，從而控制開關(guān)損耗，以實(shí)現(xiàn)空載、輕載狀態(tài)下的卓越高效性能，還可以在變壓器進(jìn)入跳周期工作時(shí)有效地消除噪聲，滿足節(jié)能、待機(jī)與工作狀態(tài)等各種要求。

　　安森美半導(dǎo)體的另一項(xiàng)創(chuàng)新，也就是在大于75 W存在PFC的情況下，設(shè)計(jì)了功能獨(dú)特的芯片與以降低待機(jī)損耗。待機(jī)時(shí)，負(fù)載遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于75 W，這是對(duì)功率因數(shù)并無要求。而在傳統(tǒng)有源PFC的拓?fù)渲?，通常采用開關(guān)型升壓電路(Boost)，其開關(guān)頻率也在幾十到幾百千赫茲之間，其開關(guān)損耗不可小視。安森美半導(dǎo)體推出的固定頻率電流型PWM控制器NCP1230和準(zhǔn)諧振電流模式PWM控制器NCP1381具有在待機(jī)狀態(tài)下，關(guān)閉PFC的功能(圖6）。NCP1230和NCP1381都有一個(gè)專用的引腳用來連接PFC控制器的VCC引腳。當(dāng)芯片檢測到系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)時(shí)，會(huì)自動(dòng)切斷PFC 的VCC供電。這樣等于省去了一個(gè)損耗環(huán)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)超低待機(jī)能耗。
　
                                圖5： 待機(jī)時(shí)關(guān)閉PFC示意圖。

總結(jié)

　　為了實(shí)現(xiàn)電子電器設(shè)備的節(jié)能環(huán)保，世界各國政府和國際組織紛紛從提高電源工作效率、降低待機(jī)能耗和提高功率因數(shù)等角度制定相應(yīng)的電源節(jié)能規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。這些要求已產(chǎn)生并將繼續(xù)產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。為了持續(xù)支持電源滿足并超越各種節(jié)能規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，安森美半導(dǎo)體不斷利用各種技術(shù)來提升電源的工作效率和功率因數(shù)，并降低待機(jī)能耗；更推出完善而高效的GreenPoint電源參考設(shè)計(jì)，來滿足減少設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。