致力于“綠色”電源技術(shù)

安森美半導體

　　人們在日常工作和生活中廣泛使用著(zhù)各類(lèi)電子電器設備。這些設備不僅工作時(shí)所消耗的電能巨大，而且其在待機狀態(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能規范標準。具體而言，電子電器設備的綠色節能法規主要從電源工作效率、待機能耗和功率因數這三個(gè)方面入手。

先進(jìn)的設計技術(shù)和方案讓電源更加“綠色”節能

　　要使電子電器設備更加“綠色”節能，一般需要從提高電源工作效率、改善功率因數和降低待機能耗等方面下功夫。以計算機電源為例，其功率損耗的來(lái)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量。
　
                      圖1：計算機電源不同段的功率損耗所占比例

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

　　而對于非連續導電模式(DCM)或CRM而言，要實(shí)現更高的效率，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(kāi)關(guān)；
　　3) 不須過(guò)于在意升壓二極管的選擇。

　　圖2a和2b別顯示了安森美半導體NCP1606和NCP1654在不同功率和模式應用下的能效。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，因為輕載時(shí)開(kāi)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(kāi)關(guān)電源段，要提高其能效，可采取以下策略：
    1)降低初級側的導電損耗。具體的做法是：降低導通阻抗(更高開(kāi)關(guān)損耗)和/或降低初級側峰值電流及均方根(RMS)電流；
　　2)降低開(kāi)關(guān)損耗(考慮軟開(kāi)關(guān)技術(shù))；
　　3)次級側損耗：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。

　　針對計算機高能效電源解決方案的需求，安森美半導體近期還推出了率先滿(mǎn)足美國能源之星對臺式計算機ATX電源性能要求的300W GreenPoint ATX參考設計。該參考設計在高電壓輸入時(shí)可以達到86.5%的滿(mǎn)載高能效，在20%負載和低電壓輸入時(shí)則達82.5%能效，和目前市場(chǎng)上常見(jiàn)平均 70%能效的電源比較，該設計可以降低電源損耗達50%。此外，安森美半導體的ATX參考設計還符合IEC61000-3-2功率因數要求。

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

　　而要解決待機能耗問(wèn)題，同樣必須搞清楚損耗在哪里。在電源電路中，通常的待機損耗來(lái)自啟動(dòng)電路、驅動(dòng)電路、開(kāi)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(guò)集成一些功能和技術(shù)，針對上述待機損耗來(lái)源制定相應對策來(lái)實(shí)現待機功能。常見(jiàn)的待機技術(shù)有跳周期、頻率回走等。

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　　1)高壓?jiǎn)?dòng)和動(dòng)態(tài)自供電。安森美半導體很多電源管理芯片內置高壓電流源，可以直接從高壓端與電源芯片相連啟動(dòng)電源。當電源啟動(dòng)后輔助電源工作VCC開(kāi)始工作，內部高壓電流源關(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，安森美半導體的專(zhuān)利技術(shù)動(dòng)態(tài)自供電(DSS)可以省去啟動(dòng)電阻并無(wú)需從變壓器引出VCC線(xiàn)圈(圖3），該技術(shù)在某些應用如CRT的待機設計中可以起到獨特的作用將待機損耗降至極低。
　
                                     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功耗方法。安森美半導體電源管理芯片可以?xún)炔考杀容^器，通過(guò)監測反饋信號，當負載降低時(shí)使驅動(dòng)信號處于非連貫的簇脈沖替代連續脈沖。
　　
                                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用。所謂的頻率回走是指當負載降低時(shí)，通過(guò)將原有的開(kāi)關(guān)頻率降低來(lái)減少開(kāi)關(guān)損耗。安森美半導體的PWM控制器NCP1351采用這種待機形式，在輕載或空載時(shí)延長(cháng)Toff時(shí)間是開(kāi)關(guān)品率降低已達到省點(diǎn)的目的。在充電器的應用中可以達到0.3 W以下的待機水準。

　　除此之外，安森美半導體的一項創(chuàng )新技術(shù)就是軟跳周期技術(shù)。最新推出的NCP1271增強型PWM電流模式控制器采用軟跳周期技術(shù)來(lái)控制峰值電流并消除一些開(kāi)關(guān)脈沖，從而控制開(kāi)關(guān)損耗，以實(shí)現空載、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(mǎn)足節能、待機與工作狀態(tài)等各種要求。

　　安森美半導體的另一項創(chuàng )新，也就是在大于75 W存在PFC的情況下，設計了功能獨特的芯片與以降低待機損耗。待機時(shí)，負載遠遠低于75 W，這是對功率因數并無(wú)要求。而在傳統有源PFC的拓撲中，通常采用開(kāi)關(guān)型升壓電路(Boost)，其開(kāi)關(guān)頻率也在幾十到幾百千赫茲之間，其開(kāi)關(guān)損耗不可小視。安森美半導體推出的固定頻率電流型PWM控制器NCP1230和準諧振電流模式PWM控制器NCP1381具有在待機狀態(tài)下，關(guān)閉PFC的功能(圖6）。NCP1230和NCP1381都有一個(gè)專(zhuān)用的引腳用來(lái)連接PFC控制器的VCC引腳。當芯片檢測到系統進(jìn)入待機時(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，可以實(shí)現超低待機能耗。
　
                                圖5： 待機時(shí)關(guān)閉PFC示意圖。

總結

　　為了實(shí)現電子電器設備的節能環(huán)保，世界各國政府和國際組織紛紛從提高電源工作效率、降低待機能耗和提高功率因數等角度制定相應的電源節能規范標準。這些要求已產(chǎn)生并將繼續產(chǎn)生可觀(guān)的經(jīng)濟和社會(huì )效益。為了持續支持電源滿(mǎn)足并超越各種節能規范標準，安森美半導體不斷利用各種技術(shù)來(lái)提升電源的工作效率和功率因數，并降低待機能耗；更推出完善而高效的GreenPoint電源參考設計，來(lái)滿(mǎn)足減少設計環(huán)節，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。