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当今社会,能源危机和环境污染已经成为世界各国共同面临的两大难题。随着人们环保和节能意识的增加,低功耗设计越来越受到厂商、消费者和各国政府的关注,高能效的电源设计将成为市场的主导。并且,电源设计周期加快、低待机能耗、高能效以及减少占位面积的要求正在改变传统的电源设计方法,推动电源管理设计的创新。无论是客观环境,还是人们的主观意识上,“环保节能型”设计已是电源管理市场发展的大趋势。

“环保节能型”设计的需求在给半导体产业带来巨大机遇的同时,也带来了重大挑战。在满足政府及相关组织提出的节能环保标准和规范的同时,半导体企业还必须考虑消费者的特定需求。作为业内领先的电源半导体解决方案供应商,安森美半导体拥有专业的设计队伍及高效的供应链流程,一直致力于研发并提供高效的符合环保要求的电源管理方案,在成功应对电源管理市场挑战的同时,为实现环保和节能提供卓越的解决方案。

高效率、高集成带来的设计挑战

今天的电源管理市场正处在剧烈变革之中,电源规范的采用已经越来越普遍,要求电源转换器在各种运作模式下都必须提供更高的效率,例如小于1 W的待机能耗要求,以及美国加州能源委员会(CEC)和美国能源之星(ENERGY STAR®)要求外接电源能效大于80%的规定。降低谐波的要求也促进了功率因数校正(PFC)前端的引入,IEC 1000-3-2已经成为欧盟与日本的强制性规定,获得了许多国家的自愿采用。由于终端用户希望能够在更小尺寸的封装内实现更多的功能,因此系统的复杂性不断增加,功率密度要求也越来越高。消费类产品市场变幻莫测,更快产品上市时间的要求采用简化电路的设计。

此外,虽然RoHS指令已经在2006年7月1日实施,迄今为止还没有区分元器件是否含有某些物质的通用标准。今年3月,中国《电子信息产品污染控制管理办法》标志着中国RoHS开始全面实施,以推动中国的绿色制造产业。

中国电源管理市场的挑战和机遇

除了需要面对上述挑战,整个行业还必须迎接电源技术拐点的挑战。电源管理方案的复杂程度正在不断提高,因此总有一天目前的解决方案将无法满足对电源管理的要求。以PC为例,一方面CPU频率正在节节上升,另一方面,电流不断增加和电压却在不断下降。而可供选择的其他方案,无论是风扇还是液态冷却,都会使成本大幅度上升,还会降低效率。CPU功耗的提升也使电源管理方案变得越来越昂贵。PC、手机、笔记本电脑、便携式播放器及其他平台上的情况也大致如此。

未来几年,模拟产品领域的主要增长动力将体现在各种稳压器、PC主板用电源IC、模拟开关、80%以上的能效电源转换解决方案和高频运算放大器等。但是,以上所有因素的推动力越强,采用传统拓扑结构来满足系统要求的可行性就越低;设计工程师需要面对更快上市时间的要求,因此无法利用一些新兴方法所带来的好处。

幸运的是,业界有像安森美半导体这样的致力于电源管理模拟器件和分立器件的半导体厂商。他们可以为PC、笔记本电脑、游戏机和手机等高增长数字消费电子产品提供最佳系统效率和完整的电源管理解决方案。这也为OEM厂商提供了开发高电源能效、低待机能耗、符合世界各地节能环保规范和标准,同时满足今天和未来消费电子产品的高能效电源要求。

安森美半导体领先的电源管理技术

作为中标认证中心授予“中国节能认证合作伙伴”的芯片厂商,安森美半导体在开发产品技术方面一向以节能降耗、提高电源能效为己任。公司开发适用于大多数高增长数字消费电子产品的完整的电源解决方案。

到目前为止,该公司已经推出了多款GreenPoint™高效电源解决方案参考设计,分别适用于符合80 PLUS®的ATX电源、CRT电视机电源、液晶电视电源、笔记本电脑和显示器电源、台式打印机和游戏机电源。为了实现高效的电源管理,安森美半导体不断开发涵盖所有电源能效领域的解决方案,其主攻的三个领域是:消耗最多电能的工作状态的器件能效、闲置(大多数时间)时的器件待机能耗,以及提高电网效率的PFC技术。

GreenPoint™解决方案

CRT电视机和平板液晶电视机电源GreenPoint™参考设计能够提供低于1 W的待机能耗,包括了电源的所有功能模块,符合低待机能耗的国际标准。用于液晶电视和显示器、笔记本电脑和其他消费电子产品的60 W电源适配器参考设计不仅可满足待机和工作模式能效规范,简化繁复的设计,而且是高性价比的解决方案。它包括电源适配器的所有功能模块,可实现低待机能耗,且符合CEC、美国能源之星及欧洲COC(Code of Conduct)的要求。该设计可提供88%的能效,在待机模式下功耗小于250 mW,进一步节省电能(适配器大多数时间均处于待机模式),而目前大多数60W适配器的待机能耗均为750 mW。

近期推出的300 W GreenPoint™ ATX电源参考设计在高电压输入时可以达到86.5%的满载高能效,不仅远高于市场上常见ATX电源70%的能效,更高于“80 PLUS”计划要求,更接近计算产业气候拯救行动(CSCI)组织提出的到2011年实现满载下87%能效的要求。

用于台式打印机的40 W电源GreenPoint™参考设计(图1),有助于工程师快速推出能够提供低动态功耗与低待机能耗的电源适配器。在输出功率介于5 W到40 W时,该参考设计可以提供超过83%的工作模式电源效率,在空载时更可达到小于150 mW的待机能耗,目前常用的40 W打印机在相似情况下的功耗为450 mW。该设计采用的频率回走技术可以使电源在轻载情况下保持高能效,例如当输出功率在0.5 W到2 W时,能效会在66%到79%间变化,这些特性使这个GreenPoint™参考设计能够符合从能源之星到欧洲高能效电器组织(GEEA),以及美国1 W待机能耗总统令和日本Eco标章计划的最严苛要求。


图1. 安森美半导体40 W打印机电源GreenPoint™参考设计。

新推出的40 W参考设计可以在瞬间达到80 W的峰值输出,这项功能特别适合打印机应用,还可在整个88到265 V交流输入电压范围内实现低于100 W的功率过载保护,以符合限制电源(LPS)测试。此外,该设计使用比具备相似能效的40 W电源适配器中更小的大容量电容,可有效节省电路板空间和整体系统成本。

这个参考设计的关键器件是NCP1351,这是一款针对低功耗离线反激开关电源(SMPS)设计的电流模式控制器。它采用固定峰值电流技术(固定Ton),可以在负载变低时降低开关频率。因此,采用NCP1351的电源自然可以提供卓越的待机(空载)能耗,同时也能够在其他负载情况下达到最佳的能效表现。当频率下降时,峰值电流会逐渐降低到最大峰值的约30%,以避免变压器发生机械振荡,因此可以大幅度降低发生可听见噪声的风险,并保持良好的待机能耗表现。

外部可调整定时器可不断检测反馈动作,并在短路或过载时提供电源保护。在定时器超时时,NCP1351A和NCP1351C可停止开关动作并保持在锁定状态;NCP1351B和NCP1351D则会尝试重新启动,NCP1351C和NCP1351D具有双过电流保护,更适合需要较大瞬变输出功率如打印机的应用;器件内部结构具备了能够达到最低可用启动电流的优化方案,而这正是设计低待机能耗电源的关键参数。负电流检测技术则可以将开关噪声对控制器工作的影响降到最低,同时让使用者选择电流检测电阻上的最高峰值电压,对应用的功耗进行优化。

功率因数校正解决方案

降低谐波的PFC能力可以集成在许多电源设计当中。但是设计人员在满足一些认证要求及其客户期望的成本时,通常需要面对集成合适PFC段的难度。许多新的PFC拓扑结构和元件的出现,有助于设计人员优化设计以满足给定应用的需求,还可以最大限度地降低设计人员满足认证要求的难度。这种方法可以通过简化主要功率转换级的设计和不使用常见的波段开关和保持电容器等元件而获得更多的好处。
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去年,安森美半导体就推出了两款PFC控制器NCP1653和NCP1601,两款器件是为输入功率在75 W至几千瓦的电源设计的,适用于电视机、平板显示器、台式电脑和笔记本适配器开关电源、离线电池充电器,以及电冰箱、洗衣机和干衣机等白色家电中的功率因素校正应用。

今年,该公司又扩展了四款PFC控制器,适用于照明、电源适配器、ATX电源、平板电视和其他电源应用,可促进符合全球新兴能源效率和功率因数标准的高效电源开发。

其中的NCP1605是一款强化型高电压和高效率待机模式PFC制器,采用定频(Fixed Frequency)非连续导电模式(DCM,Discontinuous Conduction Mode)或临界导电模式(CRM,Critical Conduction Mode)工作。该器件集成了构建稳固PFC段电路的所有功能,可以采用PFC主控端方式工作,确保电源的第二段电路只有在安全情况下才会启动。另外,它还集成了跳周期能力,可将待机能耗降到最低及提高轻载能效。


图2. 强化型高电压和高效率待机模式PFC制器NCP1605。

NCP1606是一个CRM PFC控制器,适用于电子镇流器预先转换、交流电适配器和平板电视以及其他中低功率的300W离线转换器应用。该器件集成了可调整的过压保护和内置欠压保护功能。NCP1606A和NCP1606B是完全兼容业内标准器件脚位的直接替代选择,其中NCP1606B可通过更小过压保护电流和更低的电流检测临界值进一步降低功耗。

NCP1654和NCP1655是连续导电模式PFC控制器,可控制定频模式的功率转换开关导通时间,同时集成了高度安全性的保护功能,如输入欠压保护,可将实现电路所需的外部器件数降到最少。NCP1654脚位完全兼容业内标准器件。

以上这些可供实现PFC应用的器件有助于设计人员为其应用实验和选择最佳的方法。易于使用的设计工具可加快设计进度并减小设计难度。随着能量认证标准在全球的迅速推进,PFC电路将继续渗透进越来越多的系统。

标准产品与IC双管齐下

电子系统越来越复杂,
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