高效節(jié)能技術(shù)應(yīng)對(duì)更嚴(yán)格電源能效規(guī)范要求
2009/8/24 10:56:11
電源在線網(wǎng)
隨著人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，計(jì)算機(jī)、照明、消費(fèi)電子、電源適配器和家電等領(lǐng)域越來越多地出現(xiàn)了更嚴(yán)苛能效法規(guī)的限制。以在全球擁有廣泛影響力的美國(guó)“能源之星”項(xiàng)目為例，新的1.0版固態(tài)照明(SSL)規(guī)范已從2008年10月1日開始實(shí)施，2.0版適配器/外部電源規(guī)范和3.0版電視規(guī)范也于同年11月1日開始實(shí)施，而2.0版的機(jī)頂盒(STB)規(guī)范也于2009年1月1日生效。
這些能效規(guī)范在工作能效、待機(jī)能耗及功率因數(shù)方面提出了比此前版本更高的要求。如2.0版適配器規(guī)范的工作能效(以大于49 W輸出功率為例)要求是不低于87%，而此前的1.1版要求為不低于84%。另外，3.0版電視機(jī)規(guī)范的待機(jī)能耗要求為不超過1 W，后續(xù)規(guī)范則可能進(jìn)一步降低不超過0.3 W甚至是0.1 W。
這些更趨嚴(yán)格的能效規(guī)范為電源設(shè)計(jì)人員帶來了更棘手的節(jié)能挑戰(zhàn)。安森美半導(dǎo)體身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅方案供應(yīng)商，在以高效節(jié)能技術(shù)應(yīng)對(duì)更嚴(yán)格電源能效規(guī)范方面擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，提供高能效的整體電源方案，可幫助設(shè)計(jì)人員同時(shí)實(shí)現(xiàn)降低電源待機(jī)能耗、提升工作能效及應(yīng)用功率因數(shù)校正(PFC)。
優(yōu)化PFC控制模式，結(jié)合PFC與主轉(zhuǎn)換器
包括計(jì)算機(jī)電源、外部適配器在內(nèi)的許多應(yīng)用的能效規(guī)范都包含功率因數(shù)要求，如功率大于75 W的個(gè)人計(jì)算機(jī)、電視和顯示器強(qiáng)制要求應(yīng)用PFC。安森美半導(dǎo)體整體方案的一個(gè)重要組成部分，就在功率因數(shù)校正方面致力于將PFC與主轉(zhuǎn)換器結(jié)合，并優(yōu)化指定應(yīng)用和功率電平的PFC控制模式。
而根據(jù)電流特性的不同，常見的PFC工作模式有非連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)、臨界導(dǎo)電模式(CrM)、連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)以及頻率鉗位臨界導(dǎo)電模式(FCCrM)等，其特征也各不相同。
表1：針對(duì)不同輸出功率等級(jí)及應(yīng)用的安森美半導(dǎo)體PFC控制器
安森美半導(dǎo)體提供豐富PFC控制器選擇，如NCP1601/5/6/7/8、NCP1631、NCP1650/1/2/3/4等，涵蓋上述不同工作模式，優(yōu)化用于不同功率的應(yīng)用，見表1。如NCP1606/7/8采用CrM工作模式，適合于功率通常低于300 W的中等功率應(yīng)用，如電子鎮(zhèn)流器、液晶電視、等離子電視、臺(tái)式計(jì)算機(jī)和交流適配器等。最新推出的NCP1654均工作在CCM模式，適用于功率大于200 W以上的場(chǎng)合。NCP1654的前身NCP1653推出幾年來已經(jīng)獲得了極大的成功，廣泛應(yīng)用于臺(tái)式計(jì)算機(jī)，開放式電源等領(lǐng)域。特別是在液晶電視和等離子電視中更是占據(jù)了絕大多數(shù)的市場(chǎng)份額。
與此同時(shí)，安森美半導(dǎo)體還開發(fā)了較新的PFC架構(gòu)，如將PFC段與脈寬調(diào)制(PWM)主轉(zhuǎn)換器段結(jié)合在一起，推出單段式的PFC控制器。實(shí)際上，NCP1651及NCP1652就是這種架構(gòu)的典型產(chǎn)品。這種單段式PFC減少控制IC、電感和MOSFET的使用數(shù)量，幫助提升能效及顯著降低成本。NCP1652單級(jí)PFC采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，既可以工作在CCM，也可以工作在DCM，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本優(yōu)勢(shì)明顯，特別適合于25 W至150 W功率范圍的應(yīng)用，包括大電流電池充電器、分布式電源系統(tǒng)前端和大功率固態(tài)照明(SSL) 等。采用CCM工作模式時(shí)，NCP1652幫助提供極優(yōu)的功率因數(shù)，同時(shí)限制峰值初級(jí)電流。
安森美半導(dǎo)體還積極開發(fā)交錯(cuò)式PFC等新穎的PFC控制技術(shù)及FCCrM工作模式的單芯片交錯(cuò)式PFC控制器——NCP1631。這種交錯(cuò)式PFC更易于設(shè)計(jì)，便于采用模塊化的方案，并簡(jiǎn)化電磁干擾(EMI)濾波，特別是采用兩個(gè)較小PFC 的設(shè)計(jì)能夠支持厚度低至10 mm的超薄型液晶電視設(shè)計(jì)，在完整功率范圍下提供極優(yōu)能效，見圖1。
圖1：基于NCP1631單芯片交錯(cuò)式控制器的300 W PFC電路板能效測(cè)試結(jié)果
采用更好器件及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提升電源工作能效
除了PFC方面的努力，安森美半導(dǎo)體還在開關(guān)控制器方面采用頻率反走、同步整流，以及軟開關(guān)(包括準(zhǔn)諧振、完全諧振、有源鉗位(反激或正激))等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)采用好的場(chǎng)效應(yīng)管(FET)和二極管，以提升電源方案工作效率。
表2：NCP1379/80控制器提供高工作能效及低輕載和待機(jī)能耗
其中，就交流-直流(AC-DC)離線式開關(guān)電源控制器而言，安森美半導(dǎo)體提供帶高壓?jiǎn)?dòng)電路及不帶高壓?jiǎn)?dòng)電路的多種選擇，如NCP1237/8、NCP1287/8、NCP1379、NCP1380、NCP1252、NCP1351、NCP1395/6/7等。以NCP1379/80為例，這兩款器件是高性能的準(zhǔn)諧振(QR)控制器，帶谷底鎖定功能，支持谷底轉(zhuǎn)換，在寬范圍條件下提供優(yōu)異的工作能效(見表2a)，并大幅降低噪聲，適合用于筆記本、LCD顯示器和游戲機(jī)的交流-直流適配器，平板電視的輔助電源，以及DVD和機(jī)頂盒等消費(fèi)類應(yīng)用。
而除了主開關(guān)控制器，安森美半導(dǎo)體規(guī)劃推出一系列新的高壓功率MOSFET完善電源解決方案，如NDFxxN60Z等。這些MOSFET采用的先進(jìn)封裝技術(shù)，包括2009年內(nèi)推出的DPAK表面貼裝(SMT)封裝和TO220FP、TO-220穿孔封裝，以及在2010年推出D2PAK、SOT-223等表面貼裝封裝，及I2PAK、TO-30、IPAK及TO-92等穿孔型封裝。此外，安森美半導(dǎo)體還擁有豐富的整流器產(chǎn)品，產(chǎn)品除了涵蓋適配器、ATX電源、液晶電視電源等電源市場(chǎng)，還包括動(dòng)力系統(tǒng)、安全及控制、舒適及便利、車身電子等汽車市場(chǎng)。
新的綠色節(jié)能技術(shù)研究
安森美半導(dǎo)體身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅方案供應(yīng)商，除了以現(xiàn)有產(chǎn)品和技術(shù)幫助客戶構(gòu)建高能效的整體電源方案，還持續(xù)推動(dòng)新的綠色節(jié)能技術(shù)研究，幫助后續(xù)能效規(guī)范的更高要求及客戶的更高期望。
例如，在提升PFC能效方面，除了交錯(cuò)式PFC等新穎技術(shù)，安森美半導(dǎo)體還對(duì)無橋PFC方案進(jìn)行了研究。這種PFC架構(gòu)旨在去掉二極管整流橋，減少整流過程中的功率損耗，大幅提升PFC能效。安森美半導(dǎo)體基于這種架構(gòu)開發(fā)了800 W PFC 段的原型。這原型采用NCP1653 PFC 控制器及MC33152 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器。經(jīng)測(cè)試，這原型在90 Vrms、滿載、無風(fēng)扇(機(jī)箱打開，室溫)條件下的能效達(dá)94%，而在100 Vrms 時(shí)達(dá)95%。在20%負(fù)載時(shí)能效更接近或超過96%。這種無橋PFC 架構(gòu)將是適合大功率應(yīng)用的一種極高能效的解決方案。
圖2：用于提升PWM能效的新的交錯(cuò)式LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖
其次，在提升主轉(zhuǎn)換器的PWM能效方面，安森美半導(dǎo)體除了繼續(xù)開發(fā)有源鉗位正激(ACF)、半橋諧振(LLC)等軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還在開發(fā)新的交錯(cuò)式LLC(ILLC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用于更大功率的應(yīng)用。在需要輸出大電流(如大于15 A)和/或低厚度設(shè)計(jì)時(shí)，ILLC可用于提供極高能效，且大幅減小次級(jí)電容紋波電流。能夠基于NCP1395/6控制器，增加除法邏輯及2個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器NCP5106，構(gòu)建ILLC控制單元。評(píng)估板測(cè)試結(jié)果顯示，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在相位2輕載關(guān)閉時(shí)，能夠保持高于95%的極高能效。安森美半導(dǎo)體還積極開發(fā)新型次級(jí)同步整流技術(shù)，如NCP4303A/B通用同步整流控制器具有外部可調(diào)節(jié)最短導(dǎo)通及關(guān)閉時(shí)間等特性，優(yōu)化使用開關(guān)周期，提供高能效。
高能效參考設(shè)計(jì)加快“綠色”電源上市
安森美半導(dǎo)體為了幫助客戶縮短開發(fā)周期并加快產(chǎn)品上市，還推出多種GreenPoint?電源參考設(shè)計(jì)，如極高能效的255 W計(jì)算機(jī)ATX電源參考設(shè)計(jì)、220 W高壓LIPS液晶電視電源參考設(shè)計(jì)等。這些公開參考設(shè)計(jì)中提供的文檔包括功能框圖和全部示意圖、物料單(BOM)、電路板布線圖、設(shè)計(jì)描述、性能測(cè)試結(jié)果，以及源自第三方測(cè)試的性能驗(yàn)證。
總結(jié)：
計(jì)算、消費(fèi)、照明及適配器等領(lǐng)域涌現(xiàn)了越來越多的更趨嚴(yán)格的電源能效規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，為設(shè)計(jì)人員帶來了重要挑戰(zhàn)。安森美半導(dǎo)體身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅方案供應(yīng)商，不斷推出各種新穎的關(guān)鍵控制器件、MOSFET和整流器產(chǎn)品，同時(shí)持續(xù)開展綠色節(jié)能技術(shù)研究，以一種整體的方式幫助客戶同時(shí)改善功率因數(shù)、提升工作能效及降低待機(jī)能耗，并提供經(jīng)過測(cè)試證實(shí)具有極高能效、符合80 PLUS和“能源之星”等規(guī)范要求的高能效GreenPoint?電源參考設(shè)計(jì)，幫助客戶縮短設(shè)計(jì)周期，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。■
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