新節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)下的電源設(shè)計趨勢談

    如果說最近幾年電源產(chǎn)品已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)步，恐怕一點也不過分。效率已經(jīng)接近極限，功率管理更加精密，體積也越來越小…….但這夠了嗎？所看到的現(xiàn)狀卻是，人們對電源系統(tǒng)需求的迫切度有增無減！

    實際上對電源系統(tǒng)的壓力來自正反兩方面。一方面，消費者希望在設(shè)備中集成越來越多的功能，況且體積還越來越小，這就要求電源以更小的體積提供更多的能量。但另一方面，滾滾熱浪席卷全球，全球氣候變暖已開始讓人們不得不認(rèn)真對待。這就反過來要求電源系統(tǒng)提供更高的能量利用效率。

    為了解決或者說是減緩面臨的問題，國際上頒布了許多有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，如國際能源署“1W計劃”，美國新版能源之星，美國80 PLUS等。隨著這些新標(biāo)準(zhǔn)的出臺，電源設(shè)計的未來趨勢將怎樣？

需要新技術(shù)來應(yīng)對設(shè)計挑戰(zhàn)

    新技術(shù)一直是應(yīng)對挑戰(zhàn)的主要手段。然而不同公司采取了不同的側(cè)重技術(shù)。

    “凌力爾特公司一直在低靜態(tài)電流方面下功夫，我們在很多電源管理集成電路中納入了突發(fā)模式(Burst Mode)技術(shù)，這種技術(shù)最大限度地降低了在備用模式時集成電路自身需要的電流。”該公司電源產(chǎn)品市場經(jīng)理Tony Armstrong介紹道。突發(fā)模式的本質(zhì)是，當(dāng)通過VC引腳電壓檢測到所需開關(guān)電流低于編程電流值的規(guī)定值時，突發(fā)模式啟動。在突發(fā)間隔中，開關(guān)停止動作，除Vcc穩(wěn)壓器、誤差放大器和帶隙基準(zhǔn)以外，集成電路內(nèi)部所有功能都被禁止，見圖1。利用這種模式，在很多情況下，可以靜態(tài)電流低到了10uA至20uA。適用于手持設(shè)備的LTC3548和LTC3410，適合于無線設(shè)備、便攜式計算機(jī)的LTC3801以及適合于數(shù)字設(shè)備、汽車系統(tǒng)和分布式直流電源系統(tǒng)LTC3827都是這類具有低靜態(tài)電流的產(chǎn)品。

    同樣是為了降低待機(jī)模式的能耗，安森美半導(dǎo)體則側(cè)重于其他技術(shù)，如跳周期待機(jī)模式、PWM控制器主控PFC(輕載時關(guān)斷PFC以降低待機(jī)能耗)。除此之外，將諸多新技術(shù)和功能集成芯片內(nèi)部，如DDS(動態(tài)自供電)、頻率抖動、Soxyless(無線圈去磁檢測)等，可起到簡化外圍電路設(shè)計作用，也相應(yīng)減少了功率損耗。該公司的中國區(qū)電源管理產(chǎn)品高級工程師于輝介紹說，“利用以上技術(shù)最近我們陸續(xù)推出了最新研制的電流型PWM控制器NCP1271、準(zhǔn)諧振控制器NCP1337以及半橋諧振控制器NCP1396和有源鉗位控制器NCP1282等電源管理芯片。這些產(chǎn)品是基于安森美半導(dǎo)體多年來在電源領(lǐng)域豐富經(jīng)驗基礎(chǔ)上，并且針對客戶實際應(yīng)用所需開發(fā)研制而成的。非常適用于適配器、臺式機(jī)以及液晶電視等產(chǎn)品的電源應(yīng)用。”

    為了滿足美國最新標(biāo)準(zhǔn)80 PLUS的要求，不少電源廠商，采用的是分別針對幾個負(fù)載點進(jìn)行優(yōu)化，這樣做雖然可以滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，但卻給用戶的使用帶來一些限制，因為用戶無法在實用中確保工作在最佳工作點上。所以，還有待于開發(fā)新的動態(tài)負(fù)載技術(shù)來實現(xiàn)更多負(fù)載點甚至是連續(xù)動態(tài)負(fù)載上的高效率。

圖1：凌力爾特的LTC3801采用突發(fā)模式將靜態(tài)電流降至10至20uA。

不同類型產(chǎn)品趨勢有異

    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)都是極端重要的。另外，很多微處理器和數(shù)字信號處理器(DSP)都需要一個內(nèi)核電源和一個輸入/輸出(I/O)電源，這些電源在啟動時必須排序。“設(shè)計師們必須考慮加電和斷電操作時內(nèi)核和I/O電壓源的相對電壓和時序，以符合制造商的性能規(guī)格要求。沒有恰當(dāng)?shù)碾娫磁判颍�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”，Tony Armstrong說道。他還認(rèn)為，在高性能、大功率電源設(shè)計不斷需要更多功率的同時，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)計師帶來了極大的挑戰(zhàn)，不管設(shè)計師是否具有經(jīng)驗都一樣。一般情況下，要求這些電源設(shè)計具有高于90%的轉(zhuǎn)換率，以限制電源的功耗和溫度。因此，電源設(shè)計的熱性能尤其重要，因為只有很小的空間用來散出DC/DC電源轉(zhuǎn)換損耗和有限的空氣流動產(chǎn)生的熱量。

    而對于便攜式系統(tǒng)，似乎對電源產(chǎn)品提出了的挑戰(zhàn)更嚴(yán)峻。陳經(jīng)祥認(rèn)為，今后的電源產(chǎn)品除了對效率等指標(biāo)需要注重以外，還必須注重成本、效率及體積和重量彼此關(guān)聯(lián)的綜合特性。為了適應(yīng)這些需求，這就要求設(shè)計者在制造工藝，電路設(shè)計和系統(tǒng)應(yīng)用等方面擁有更全方位和更高端的技術(shù)。于輝則認(rèn)為，為了應(yīng)對挑戰(zhàn)，首先就是電源管理芯片功能的高度集成化。如前所述電子類產(chǎn)品正向著輕便多功能方向發(fā)展，電源部分不但效率要高，而且要提供保護(hù)等功能；其次開發(fā)適合新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的芯片實現(xiàn)節(jié)能。他說：“很多新的節(jié)能方式需要專用芯片來實現(xiàn)。此類新結(jié)構(gòu)的電源管理技術(shù)也是未來研究的重要領(lǐng)域；再就是電源控制技術(shù)的提高。為了更加精確實現(xiàn)對電源性能的控制，電源管理芯片有時會配合系統(tǒng)工作，如MCU可以向電源管理芯片發(fā)出信號觸發(fā)待機(jī)等。”針對以上發(fā)展方向，對于半導(dǎo)體制造商來說集中的挑戰(zhàn)在于不斷開拓新的技術(shù)領(lǐng)域，提供效率更高、功能更強(qiáng)大、待機(jī)損耗更低的電源產(chǎn)品。同時，在保證優(yōu)異性能的前提下，更要注重環(huán)保和降低系統(tǒng)設(shè)計的成本才可以提供競爭力強(qiáng)大的產(chǎn)品為未來大規(guī)模生產(chǎn)提供充分的保障。

效率是電源設(shè)計技術(shù)永恒的追求

    我不時聽到一種說法，就是現(xiàn)在的電源技術(shù)中，效率已經(jīng)基本達(dá)到了極限，更多的努力已經(jīng)沒有太多的意思了。面對這種說法，來自各廠商的專家則不全認(rèn)同。Tony Armstrong認(rèn)為：就利用DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換的效率而言，目前尚未走到盡頭。特別是在大功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中。他介紹說：目前僅在支撐互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器運行方面、由于傳送成百上千萬份YouTube視頻以及海量的數(shù)據(jù)，就需要大量的功耗。每年僅保持Google、微軟、雅虎等互聯(lián)網(wǎng)巨擘的數(shù)據(jù)中心運轉(zhuǎn)所需的電量就相當(dāng)于14個1000MW的發(fā)電廠發(fā)出的電量。況且這種需求還在快速增長。他強(qiáng)調(diào)說：“對于1KW正向轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換效率只要提高1%，就能節(jié)省10W能耗”。他還介紹到：這就是凌力爾特公司最近推出副端同步控制器LTC3706及其伴隨器件――智能柵極驅(qū)動器LTC3725的原因之一，這兩種器件使隔離式正向轉(zhuǎn)換器能夠以高效率轉(zhuǎn)換提供大功率輸出。

    于輝則認(rèn)為，雖然現(xiàn)在的效率已經(jīng)很高，但大多數(shù)條件下指的是電源滿載時的效率。而今天，應(yīng)該把眼光越來越關(guān)注在非滿載工作和待機(jī)時能耗的節(jié)省，這種狀態(tài)下的能耗以往通常為大家所忽視。目前據(jù)IEA統(tǒng)計，待機(jī)能耗約占家庭用電量的3％-11％。于輝介紹說，目前多個負(fù)載點的ATX計算電源效率僅為60％左右，而新的美國80 PLUS標(biāo)準(zhǔn)就明確對臺式機(jī)電源提出了分別在20%、50%、100%不同負(fù)載條件下都要達(dá)到效率80%以上。因此，努力的空間還是不小的。美國能源之星也于7月20日推出臺式機(jī)80%以上的節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，作為響應(yīng)，安森美推出了ATX 80 PLUS GreenPoin節(jié)能型解決方案，把多個負(fù)載點提高到80％或更高，將電能損耗降低了近50%。

參與用戶系統(tǒng)設(shè)計可能成為一種新方向

    在電源產(chǎn)品的應(yīng)用過程中，不時有工程師抱怨在實際應(yīng)用中并無法實現(xiàn)產(chǎn)品聲稱的高效率。事實上，所有高效率指標(biāo)都是在某些條件下取得的。有的是在滿負(fù)載條件下實現(xiàn)的，也有的產(chǎn)品是為不同的負(fù)載點優(yōu)化的。比如美國國家半導(dǎo)體的LM3367超低壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，其效率高達(dá)95%，但這是在100mA/2.5V的輸出條件下獲得的，相關(guān)的還有輸入電壓，如圖2所示。而在1.8V的輸出電壓上，則最高的效率才達(dá)到85%左右。如圖3所示。實際上，在設(shè)計中影響指標(biāo)的還有開關(guān)頻率，環(huán)境溫度等。

圖2：LM3367在2.5V輸出電壓條件下的效率曲線。

圖3：LM3367在1.8V輸出電壓條件下的效率曲線。

    還有一個很重要的是事實是，即便在預(yù)算時設(shè)計很精確，選型也正確，但由于電路中實際負(fù)載的變化，仍然導(dǎo)致效率提不上去。由此導(dǎo)致的散熱問題以及重新設(shè)計業(yè)屢見不鮮。這在便攜式應(yīng)用中是一個很大的問題。

    目前，已有供應(yīng)商注意到了這個問題。位于上海的BCD公司，就實現(xiàn)了從單一的元器件供應(yīng)轉(zhuǎn)換到解決方案供應(yīng)商。該公司除了為客戶提供產(chǎn)品外，而是直接參與到客戶的初期應(yīng)用設(shè)計中去。憑借對客戶產(chǎn)品的深入理解，在結(jié)合公司的產(chǎn)品性能，尋求最佳的解決方案。該公司的首席技術(shù)官陳經(jīng)祥說：“整體解決方案決定了我們對客戶的價值在于我們能提供整體的解決方案。”他還說：“要想成為一個至關(guān)重要的供應(yīng)商，首先就必須成為解決方案供應(yīng)商，而非單純的元器件供應(yīng)商。因此，在設(shè)計的初期階段參與到客戶的產(chǎn)品研發(fā)中是必要和重要的。同時我們也關(guān)注基于商業(yè)定義的應(yīng)用。”