外部電源設計中新技術(shù)與芯片的應用

　　1 前言

　　最近幾年電源產(chǎn)品已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)步，但與此同時(shí)，當今能源浪費的問(wèn)題已成為國內外越來(lái)越關(guān)注的問(wèn)題，它反映在以下幾個(gè)方面：

　?、?突出的問(wèn)題包括：使用礦物燃料的能源資源是有限的，獲取能源的成本也在增加，礦物燃料的消耗也帶來(lái)其它負面影響(即環(huán)境污染)，而可替代能源資源還沒(méi)有成熱;

　?、?所有的家電產(chǎn)品和電子設備都要消耗電力;

　?、?不斷增長(cháng)的個(gè)人用電子產(chǎn)品通過(guò)使用適配器和充電器[外部電源(EPS)]也在消耗能源外部電源。

　　每年到底消耗多少能源呢?能源浪費的數量估算每年銷(xiāo)售的EPS為10億個(gè)以上;估算正在使用的EPS為100億個(gè)低效線(xiàn)性電源所占EPS的百分比為46%(幾乎一半)。如世界上某發(fā)達國家每年EPS浪費的能源(30～60)BkW/小時(shí)，約浪費(25～50)億美金，它等效于26個(gè)中等規模的電廠(chǎng)。

　　2 用節能理念來(lái)推動(dòng)或重新設計

　　電源在輕載時(shí)的高效率是關(guān)鍵因素。工作模式的效率是當電源工作在25%、50%、75%及100%負載時(shí)效率的平均值。在整個(gè)負載范圍內持續的高效率比重載時(shí)的高效率更加重要，最理想的控制方案是隨負載的降低頻率也相應地降低。

　　為了解決電源系統提供更高的能量利用效率，國際上頒布了許多標準，如國際能源署“1W計劃”、美國新版能源之星、美國80PLUS等。有哪些新的EPS能效標準呢?

　　新的外部電源(EPS)能效標準：適用于所有功率從小于1W到250W的單路輸出的外部電源(EPS);等同于Energy Star(EPA)標準(CEC，CECP，AGO，EU);同時(shí)適用于A(yíng)C-DC和AC-AC適配器及充電器;美國其它的州也會(huì )用的標準/法規正在進(jìn)行中;中國CECP標準從2005年1月1日開(kāi)始生效;在澳大利亞從2006年4月1日開(kāi)始生效;歐盟從2007年1月1日也將采用標準中工作模式時(shí)的相應規定。

　　隨著(zhù)這些新標準的出臺，對電源設計有了新的挑戰。為此，需要有新的舉措來(lái)面對新的挑戰。首先就是要用節能理念來(lái)推動(dòng)或重新設計。即：節能已成為一個(gè)重要的設計要求;而今60%的現有方案都無(wú)法滿(mǎn)足新標準的要求;關(guān)于外部電源(EPS)的節能標準已經(jīng)頒布;不少公司新推出的產(chǎn)品系列能令您的設計符合所有日前及提議中的標準.再則要用新技術(shù)來(lái)應對設計挑戰，如為了降低待機模式的能耗，安森美半導體則側重于其他技術(shù)，如跳周期待機模式，PWM控制器主控PFC(輕載時(shí)關(guān)斷PFC以降低待機能耗)。此外，將諸多新技術(shù)和功能集成到芯片內，如DDS(動(dòng)態(tài)自供電)、頻率抖動(dòng)、Soxy-less(無(wú)線(xiàn)圈去磁檢測)等，可起到簡(jiǎn)化外圍電路設計的作用，也相應減少了功率損耗。值此僅就選擇節能芯片和利用智能電源管理技術(shù)節省能源二個(gè)方面加以研對。

　　3 節能芯片的選擇

　　3.1 Link Switch-LP器件特點(diǎn)及工作方式

　?、拧inkSwitch-LP系列的產(chǎn)品特性

　　易于設計、外圍元件數目很少的解決方案;原邊電路控制器在負載超過(guò)峰值功率點(diǎn)時(shí)限制了輸出電流，無(wú)需電流檢測電阻;完善的故障保護―過(guò)熱、短路及開(kāi)環(huán);可在通用輸入電壓范圍(85VAC-265VAC)內操作;圖1為典型應用的簡(jiǎn)化電路(a)及輸出特性(b)，突出的特點(diǎn)是節能技術(shù)：無(wú)需任何附加元件，輕松達到全球所有的節能標準;在265VAC輸入時(shí)的空載能耗150mW;開(kāi)/關(guān)控制可在極輕負載時(shí)具備恒定的效率，是達到強制性CEC標準的理想選擇。

　?、啤inkSwitch-LP的系統成本優(yōu)勢

　　從圖1可知：頻率抖動(dòng)降低了EMI，采用簡(jiǎn)單的EMI濾波;電感既用于濾波又用于保險絲功能，見(jiàn)圖1中A點(diǎn)部分;內部高壓恒流源省去了啟動(dòng)和偏置電路，見(jiàn)圖1中B點(diǎn)部分;內部電流檢測電路省去了外圍的電流檢測電阻，見(jiàn)圖1中c點(diǎn)部分;嚴格的器件參數公差，低的限流點(diǎn)，允許初級繞組上不使用箱位電路，見(jiàn)圖1中D點(diǎn)部分;低成本的變壓器反饋穩壓，見(jiàn)圖1中E點(diǎn)部分;輸出電壓由分壓電阻決定，有精確的FB腳電壓，見(jiàn)圖1中F點(diǎn)部分;開(kāi)/關(guān)操作不需要頻率補償元件，見(jiàn)圖1中G點(diǎn)部分。針對有最低成本要求，且對恒壓/恒流要求寬松的應用進(jìn)行了優(yōu)化。

　　3.2典型應用

　　圖2顯示的是一個(gè)典型的用LNK564IC構成的6V 330mA恒壓/恒流(CV/CC)輸出電源電路的替代方案。以下對方案特點(diǎn)作一分析。

　?、拧≥斎腚娐?/p>

　　AC輸入差模濾波可由C1和L1形成的極低成本的輸入濾波器得以實(shí)現。LNK564的頻率抖動(dòng)特性省去輸入pi(C、L、C)濾波元件，僅需要一個(gè)大容量電容。加上一個(gè)套管還可使輸入電感L1既用作保險絲，又用作一個(gè)濾波元件。這一簡(jiǎn)單的濾波保險絲輸入級更進(jìn)一步地降低了

　　系統成本。另一個(gè)可選方案是用一個(gè)保險絲電阻RFl來(lái)提供保險絲的功能。

　　在某些應用中如果允許EMI的裕量較低及/或降低的輸入耐浪涌能力，那么可以從中線(xiàn)上去掉輸入二極管D2。在這類(lèi)應用中，D1需要是一個(gè)耐壓為800V的二極管。

　?、啤￡P(guān)于LNK564開(kāi)/關(guān)控制

　　該設計采用簡(jiǎn)單的偏置繞組(T1脈沖變壓器的1和2端)電壓反饋方式，由LNK564進(jìn)行開(kāi)/關(guān)控制。當開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，由R1及R2形成的電阻分壓器決定了脈沖變壓器T1偏置繞組的輸出電壓。在V/I曲線(xiàn)[見(jiàn)圖1(b)]上的恒壓工作區域，LNK564器件使能/禁止開(kāi)關(guān)周期以維持FB引腳的電壓為1.69V。二極管D3及低成本陶瓷電容C3提供初級反饋繞組(T1/3.4)電壓的整流濾波功能。當加重的負載超出恒定功率閾值，FB引腳電壓開(kāi)始隨電源輸出電壓的下降而降低。內部振蕩器頻率在這一區域內線(xiàn)性下降，直到達到啟動(dòng)頻率50%為止。當FB引腳電壓下降到低于自動(dòng)重啟動(dòng)閾值(FB引腳通常為0.8V，這相當于電源輸出電壓在1V到1.5V之間)，電源將關(guān)斷100ms，然后再重新開(kāi)啟100ms。它將會(huì )持續進(jìn)行這一工作模式直到FB腳超過(guò)自動(dòng)重啟動(dòng)閾值。這一功能在輸出短路的情況下可降低平均輸出電流。

　　該方案中，可將C3提高到0.47mF或更高來(lái)進(jìn)一步降低空載耗。

　　由于LNK564中使用了限流調節技術(shù)從而使得限流點(diǎn)公差非常精確，同時(shí)采用較新的變壓器結構技術(shù)得以在初級電路中實(shí)現無(wú)箝位電路的設計。峰值漏極電壓在265VAC輸入時(shí)可以控制在550V之下，對700V耐壓(BVDss)的MOSFET管來(lái)說(shuō)有非常大的裕量。

　?、恰≥敵稣鞴艿倪x擇

　　輸出的整流濾波由輸出整流管D4和濾波電容C5來(lái)實(shí)現。由于自動(dòng)重啟動(dòng)特性，平均短路輸出電流大大低于1A，因而可以使用低成本的D4整流管。輸出電路只要能處理電源輸出短路時(shí)的持續短路電流就可以了。二極管D4為超快恢復型二極管，用來(lái)優(yōu)化輸出V/I特性。備選電阻R3作為假負載，在空載輸出時(shí)將輸出電壓加以限制。盡管存在這個(gè)假負載，空載能耗在265VAC時(shí)仍能保持在140mW左右的目標范圍內。通過(guò)將R3的值提高到2.2kW或更高，就可滿(mǎn)足更低的空載能耗要求，并同時(shí)可將輸出電壓限制在9V以下。如需要，可將備選的Zener(齊納)嵌位二極管(VRl)安裝在電路板的左側的空白位置以便在開(kāi)環(huán)情況下限制電源最大輸出電壓。

　　4 利用智能電源管理技術(shù)節省能源

　　近幾年來(lái)，電源管理技術(shù)有飛躍的發(fā)展，可供選擇的設計方案也越來(lái)越多。政府環(huán)保團體及消費者不斷向電子產(chǎn)品廠(chǎng)商施加壓力，敦促他們在增加產(chǎn)品功能的同時(shí)，也必須降低系統的能耗。目前，便攜式電子產(chǎn)品市場(chǎng)的發(fā)展尤其令人矚目。例如，無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品不斷推陳出新，功能也越趨多樣化，是帶動(dòng)整個(gè)市場(chǎng)發(fā)展的功臣。照目前的發(fā)展趨勢看，移動(dòng)電話(huà)、個(gè)人數字助理、MP3播放機、數字相機及便攜式電子游戲機都朝著(zhù)外型更小、速度更高、功能更齊備的方向發(fā)展。為了確保/通話(huà)時(shí)間/(即電池壽命)可以延長(cháng)至滿(mǎn)意的水平，工程師便一直致力于改善電源供應子系統的設計。

　　便攜式電子產(chǎn)品的電池壽命取決于兩個(gè)關(guān)鍵因素，其一是電源轉換效率，而另一個(gè)因素是系統的能源管理方法。電源轉換系統負責將電池的供電電壓盡量以最高的效率轉為設計規定的供電干線(xiàn)電壓，而能源管理系統則針對實(shí)際的應用情況，實(shí)時(shí)提供剛好能滿(mǎn)足其需要的供電，以節省能源。

　　4.1利用Power Wise技術(shù)降低能耗

　　新―代的節能技術(shù)側重于調節處理器的頻率及電壓以降低能耗。對于以電池供電的系統來(lái)說(shuō)，究竟系統能否長(cháng)時(shí)間處于開(kāi)啟狀念，取決于其能耗的大小。單單降低其頻率只會(huì )減少其平均功耗，但不會(huì )減少某一計算上作所需耗用的能源。系統電壓必須調低，才可真正是節省能源。動(dòng)態(tài)電壓調節(DVS)及自適應電壓調節(AVS)這兩種電源管理技術(shù)都可降低系統電壓.

　?、?什么是自適應電壓調整?該技術(shù)有哪些優(yōu)點(diǎn)?

　　用于跟蹤系統處理器性能變化的嵌入式自適應電源控制器(APC)作出自適應電壓調整。APC通過(guò)一個(gè)Power Wise高速低電源接口將系統處理器的頻率、溫度和處理變化準確地傳遞給外部適應電源管理芯片。然后，該電源管理單元根據性能需求自動(dòng)調整系統處理器的供給電壓。以前的電壓調整方案都是開(kāi)環(huán)回路。CPU控制在頻率/電壓檢查表中維護的電壓，通過(guò)一個(gè)專(zhuān)用接口和電源管理電路來(lái)提供電壓。檢查表中的值是否是假與最糟糕情況下的值。自適應電壓調整減輕了CPU干擾并降低了閉環(huán)回路方式的電壓。Power Wise技術(shù)提供的自適應電源管理與ARM的Intelligent Energy Manager提供的準確動(dòng)態(tài)性能設置相結合，提供了空前理想的結果。

　?、?動(dòng)態(tài)電壓調節(DVS)技術(shù)先是將不同的電壓及頻率配對成不同的組合，調節時(shí)便根據實(shí)際需要挑選最適用的電壓/頻率組合。

　　己可提供多款電源管理集成電路PMIC，其中包括可支持DVS模式的LP3906、LP3907，以及可支持DVS和AVS兩種模式的LP5550、P5551及LP5552。動(dòng)態(tài)電壓調節(DVS)技術(shù)可以節省耗電及能源，還為供電電壓預留一些額外的空間，以支持不同工藝及溫度的系統，這個(gè)預留的額外空間雖然足以應付最環(huán)的情況，但實(shí)際應用時(shí)便會(huì )浪費較多耗電。我們只要關(guān)閉系統的電源供應環(huán)路，控制環(huán)路便可靈活調節操作電壓，并將之降至最低，以便盡量節省能源。Power Wise技術(shù)便是利用這個(gè)方法節能。

　　4.2 Power Wise特征

　　Power Wise接口(PW)可以支持智能的能源管理系統。Power Wise是一種針對系統整體需要的能源管理技術(shù)，確保以電池供電的電子產(chǎn)品可利用自適應電壓調節(AVS)技術(shù)以及控制不同狀態(tài)的切換。Power Wise技術(shù)采用閉環(huán)AVS系統搭配高速的串行電源管理總線(xiàn)，確保處理器無(wú)論在任何時(shí)候，以任何頻率操作，都可采用最低的電壓，以便將動(dòng)態(tài)能耗降至最低。

　　Power Wise技術(shù)也可為處理器的電位提供偏壓。由于供電電壓Vdd已調低，以減少動(dòng)態(tài)損耗，晶體管的閾值電壓也必須調低，以確保驅動(dòng)電壓可以保持在較高的水平，但缺點(diǎn)是漏電與靜態(tài)功率損耗會(huì )增加。只要為電位阱提供反向偏壓，漏電便會(huì )減少。此外，以同―供電電壓(Vdd)為例來(lái)說(shuō)，也為電位阱提供正向偏壓，以提高驅動(dòng)電壓。

　　可以支持Power Wise閉環(huán)AVS功能的標準系統配置必須有以下的基本元件：內置于處理器之內的先進(jìn)電源控制器、設有PWI從屬器的電源管理集成電路，以及將兩者連接一起的雙線(xiàn)PWI串行總線(xiàn)。電源管理集成電路負責為處理器提供電壓，電壓大小則由先進(jìn)電源控制器內的PWI主控器負責調節，辨法是由主控器將有關(guān)的命令傳往PWI從屬器，再由相關(guān)的電路進(jìn)行調節。

　　先進(jìn)電源控制端負責接收主處理器的命令，為電壓控制過(guò)程提供一個(gè)不受處理器影響的操作環(huán)境，以及實(shí)時(shí)跟蹤邏輯電路的操作速度。先進(jìn)電源控制器永遠處于戒備狀態(tài)，不斷監測系統的一切參數，例如，系統溫度、負載、瞬態(tài)、工藝及其他有關(guān)的變動(dòng)都會(huì )受到監測。每當先進(jìn)電源控制器收到有關(guān)頻率即將轉變的消息，便會(huì )先行做出研判，以確定若以新頻率操作，系統最少需要多少供電才稱(chēng)為可穩定操作。整個(gè)過(guò)程由閉環(huán)電路負責監控，例如先進(jìn)電源控制器先將電壓調節命令經(jīng)由PWI接口傳送到PWI從屬器，然后再由伺服裝置將電壓凋節到適當的水平。

　　其技術(shù)參數如下：LP5552輸出數目為7;輸出電壓及電流有：2個(gè)降壓穩壓器為0.8v到1.235v輸出電壓，800mA的輸出電流;5個(gè)降壓穩壓器為0.8v到3.3v輸出電壓，高達250mA的輸出電流。輸入電壓范圍為2.7V至4.8V。接口為PWl 2.0。封裝為micro SMD-38。

　　4.3 Power Wise技術(shù)應用

　　Power Wise®技術(shù)是先進(jìn)的能源管理解決方案，主要針對當前和未來(lái)受能源所限制的數字設備，適用于雙內核處理器、手機、便攜式收音機、個(gè)人數字助理、以電池供電的電子產(chǎn)品以及便攜式設備?？蓪底痔幚砥鞯哪芎慕档?0%，從而延長(cháng)電池壽命、支持更多功能和改善使用者的體驗。Power Wise采用自適應電壓調節(AVS)和閾值電壓調節等技術(shù)，將數字邏輯集成電路的工作和泄漏功耗自動(dòng)降至最低，同時(shí)保持最小的系統開(kāi)銷(xiāo)。

　　Power Wise技術(shù)提供在單芯片系統和支持組件之間的一種優(yōu)化的閉環(huán)回路，而無(wú)需CPU干涉。嵌入式Power Wise技術(shù)因為可以合成，所以可不受處理器影響。

　　5 結束語(yǔ)――電源排序技術(shù)也是一種較為理想之節能方案

　　除上述選擇節能芯片和利用智能電源管理技術(shù)節省能源二個(gè)方面之外，需指出的是對于不同類(lèi)型的產(chǎn)品其節能技術(shù)方式也有所不同。而電源排序技術(shù)的應用也是一種較為理想之方案。因為在很多大功率系統中，空間和冷卻系統的成本都很高。因此，就任何POL轉換器而言，做到緊湊、高效率并具有低靜態(tài)電流以滿(mǎn)足新的“綠色”標準都是極端重要的。另外，很多微處理器和數字信號處理器(DSP)都需要一個(gè)內核電源和一個(gè)輸入/輸出(1/O)電源，這些電源在啟動(dòng)時(shí)必須排序。設計人員必須考慮加電和斷電操作時(shí)內核和I/O電壓源的相對電壓和時(shí)序，以符合制造商的性能規格要求。沒(méi)有恰當的電源排序，就可能出現閉鎖或過(guò)大的電流消耗，這有可能導致微處理器I/O端口損壞，或存儲器、可編程邏輯器件(PLD)、現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)、數據轉換器等支持性器件的I/O端口損壞。