8月號特輯專文:高效綠色電源管理解決方案

本文作者:admin       點擊: 2007-08-13 00:00
前言:
今天,隨著全球能源緊張的日益加劇和對廢氣排放等環境保護方面愈加嚴格的關注和限制,節能增效此一重要概念已經進入每個人的日常生活。各國對節能的標準也愈加嚴格。如國際能源署(International Energy Agency,簡稱IEA)2000年推出的到2010年將所有產品的待機能耗降到1瓦(W)以下的"1W計畫"。中標認證中心(CSC)從2006年起主辦的每年一次由安森美半導體協辦的"1瓦論壇"把待機節能的概念引入中國,發揮了良好的作用。盡可能採用高效節能的產品日趨成為人們的共識。在現代化的家庭生活中,各種電器產品的應用可以說是與日俱增,對電力的需求也隨之而提高。伴隨著節能意識的增加,擴大綠色電源的使用也成為與每個家庭日常生活息息相關的節約能源的重要組成部分,

綠色電源的定義及要求
通常提到節電節能產品,人們自然而然地都會想到選用效率高的產品。其實效率高只是綠色電源各項評定指標之一。在全球制定的各項節能標準中,如美國“能源之星"、歐洲“藍色天使”等,除在電源效率上有明確的規定外,還對待機能耗提出嚴格的要求,而這一部分又往往為人們忽視。待機能耗分為兩類;一是在電源空載時,從交流電源吸收最小的功率,如電池充電器、交流-直流牆式轉換器等。二是在系統輕載時, 但依然有一些智慧功能在工作,如電視機(LED亮著, 微處理器等待遙控信號)、空調、DVD、筆記型電腦電源轉換器等。 雖然待機能耗要比設備發揮正常功能時消耗的電能小得多,但是待機能耗是電子設備、家用電器和辦公自動化設備電力浪費的主要來源。

由於待機狀態下設備不發揮任何功能,待機能耗就是一種完全的能源浪費。如中國以前電視機的待機能耗可達到十幾瓦,而優秀CRT電視電源的待機能耗可低於3W甚至1W以下。如果目前的CRT電視全部採用低待機能耗的電源,至2011年可節省超過60億元人民幣的電費支出,其差別可見一斑。因此降低待機能耗是衡量綠色電源的一項重要指標。另外,針在大於75W以上的應用,國際能源署IEA還對電子產品的功率因數(Power Factor)有明確的要求。功率因數是指實際功率和視在功率(即總耗電量)之比。提高功率因數可以降低諧波污染,是高效電源的不可或缺的環節。目前通常分為主動式功率因數校正(APFC)和被動式功率因數校正兩種,被動式功率因數校正設計簡單,但由於效率差、體積大因此可以使用的場合已非常有限。主動式功率因數校正採用半導體技術,藉由半導體元件的高速開關實現輸入電流與輸入電壓零相位差,有效降低諧波干擾。主動式功率因數校正由於體積小效率高已經替換無緣功率因數校正之勢,漸漸成為主流。總之,綠色電源應該是集高效、低待機以及低諧波污染的優質電源。

常見的降低待機能耗技術
在電源設計中,採用不同的拓撲結構,如軟開關、同步整流等技術可以有效提高電源在工作狀態下的效率。目前電源管理半導體技術研究的一個焦點集中在如何引入新技術,在降低待機能耗方面實現新的突破。要解決待機能耗問題,必須弄清楚損耗在哪裡。在電源電路中,通常的待機損耗來自啟動電路、驅動電路、開關損耗、偏置電路、輸出整流器、磁性元件等。電源管理晶片可以藉由整合一些功能和技術,針對上述待機損耗來源制定相應對策來實現待機功能。安森美半導體常見的待機技術有跳週期、頻率回走等。

1.高壓啟動和動態自供電(Dynamic Self Supply)
  在傳統如使用UC3842設計的電源啟動電路中,通常都採用從高壓(直流  
  300V~400V)串接一個高阻值電阻來啟動電源。此電阻構成了待機能耗重要
  部分。一般情況下不得不儘量加大該電阻阻值以降低損耗。但是由此帶來的
  後果就是導致啟動時間延長,這在某些應用中如電源轉換器電源是不允許
  的。安森美半導體很多電源管理晶片內置高壓電流源,可以直接從高壓端與
  電源晶片相連啟動電源。當電源啟動後輔助電源工作VCC開始工作,內部高
  壓電流源關斷由VCC供電。這樣既可以降低啟動損耗又可以有效保證啟動時
  間。另外,安森美半導體的專利技術動態自供電(DSS)可以省去啟動電阻並
  無需從變壓器引出VCC線圈,該技術在某些應用如CRT的待機設計中可
  以將待機損耗降至極低。

2.跳週期
  跳週期是一種常用的降低待機能耗方法。眾所周知,目前電源為提高效率通
  常都採用開關電源模式,通常的開關頻率在幾十到幾百千赫茲之間,個別可
  以達到上兆赫茲的水準。由於開關次數高,因此在電源的整體損耗中,特別
  是在高頻高電壓大電流應用中,開關損耗占了相當大的比例。而在待機時輸
  出負載需求很低。安森美半導體電源管理晶片可以內部整合比較器,藉由監
  測回饋信號,當負載降低時使驅動信號處於非連貫的簇脈衝替代連續脈衝。
  安森美半導體的PWM控制器如NCP12XX系列均具有跳週期功能,這樣藉由跳
  週期的方式可有效降低待機能耗滿足常見的待機標準。

3..頻率回走
  頻率回走常用於小功率的應用。所謂的頻率回走是指當負載降低時,藉由將
  原有的開關頻率降低來減少開關損耗。安森美半導體的PWM控制器
  NCP1215/NCP1351採用這種待機形式,在輕載或空載時延長Toff時間是開
  關品率降低已達到省點的目的。在充電器的應用中可以達到零點三瓦以下的
  待機水準。

最新先進的節能技術
安森美半導體在待機技術方面獨樹一幟,不斷研發新技術保證在節電領域的領先地位。在廣泛採用跳週期和頻率回走等常見待機技術之外,安森美半導體還不斷開拓新技術。如創新技術之一的軟跳週期技術。最新推出的NCP1271增強型PWM電流模式控制器採用軟跳週期技術來控制峰值電流並消除一些開關脈衝,從而控制開關損耗,以實現空載、輕載狀態下的卓越高效性能,還可以在變壓器進入跳週期工作時有效地消除雜訊,滿足節能、待機與工作狀態等各種要求。創新之二,在大於75W存在PFC的情況下,安森美半導體也設計了功能獨特的晶片與以降低待機損耗。待機時,負載遠遠低於75W,這是對功率因數並無要求。而在傳統主動式PFC的拓撲中通常採用開關型升壓電路(Boost),其開關頻率也在幾十到幾百千赫茲之間,其開關損耗不可小視。

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具有在待機狀態下,關閉PFC的功能。NCP1230和NCP1381都有一個專用的引腳用來連接PFC控制器的VCC引腳。當晶片檢測到系統進入待機時,會自動切斷PFC的VCC供電。這樣等於省去了一個損耗環節,可以實現超低待機損耗。最近,安森美半導體還推出的一款PFC控制器NCP1605其自身也具有跳週期的節電功能,為電源設計者提供了更加靈活的選擇。此外,安森美半導體電源管理晶片藉由新技術實現功能的高度整合,如使用無線圈去磁檢測技術(Soxyless)的準諧振控制器NCP1337可以省略傳統準諧振拓撲中必需的去磁引腳,藉由閘極檢測這種專利技術起到簡化週邊電路設計的作用,也相應減少了功率損耗,幫助客戶輕鬆實現產品的差異化。安森美半導體充分利用各種先進的待機技術,並高度整合於控制晶片內部,推出適用於各種拓撲各種應用的PWM和PFC控制器,為客戶實現節能設計提供有力保證。

以高效而完整的電源解決方案滿足客戶綠色設計需求


圖5:220W液晶電視電源解決方案


電源管理晶片是高效電源的核心元件但並不代表全部。如何合理使用電源管理晶片使其最大限度發揮功效一直是電源設計者比較頭痛的問題。同樣的電源管理晶片在不同的應用場合設計技巧也非常值得考究。安森美半導體提供的不僅僅是單顆控制晶片。首先,針對不同的應用,安森美半導體開發相應的晶片,在有限資源內最大幅度發揮晶片的功能。更重要的是,注重提供給客戶完整的電源解決方案而不是單一晶片的應用,從系統角度出發研製的電源管理產品從性能到成本都能為終端客戶所青睞。例如藉由與制訂行業標準的機構和全球客戶緊密協作,安森美半導體開發出GreenPoint電源解決方案,完全符合大規模生產的要求。如針對大尺寸液晶電視電源解決方案(圖5),採用高性能PFC控制器NCP1605和軟開關半橋諧振控制器NCP1396,效率在全電壓輸入範圍內可高達87%以上。待機控制器NCP1027正在0.5W負載時輸入仍小於1W。除此之外,在電源轉換器、ATX桌上型電腦等應用也推出相應的參考設計,為終端客戶節省了從選型到設計、偵錯等諸多環節,在降低設計週期的同時,也有效降低了終端客戶的設計成本。

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