更加“綠色”的電源剛出現

凌力爾特公司
電源產品部
產品市場經理
Tony Armstrong

引言

　　從政府部門到僅僅是單純的環保意識使然，對較高能效的需求受到各方面多種因素的驅動。因此，大多數工業化國家都認識到，需要節能。這是因為隨著人口增加，對能量的需求也增加了，人們需要能量為新住戶的加熱/冷卻系統、照明系統和家用電器供電。不僅建立新的發電設施需要大量資金，將產生的電能輸送到用戶處成本也很高昂。人們已經發現，與建立新的發電設施相比，將大多數家用電器目前的能耗降低 15% 到 20% 是更經濟的做法。

　　我們來看一下服務器的功耗 (支撐互聯網運行、傳送成幾百萬份 YouTube 視頻、保持經濟運轉的大功率計算機)，從 2000 年到 2005 年，服務器使用的電能翻了一番，到 2010 年，可能再增長 75%。換一個角度來看，在 2005 年，保持 Google、微軟、雅虎等互聯網巨擘的數據中心運轉所需的電量相當于 14 個 1,000MW 的發電廠發出的電量。

　　在美國，僅“服務器市場”消耗的電能就足夠讓 5 個這樣的巨型發電廠日夜不停地運轉。此外，IDC 最近發布的一份研究報告估計了全球由于計算而使用的電能，從這份報告可以推斷出，2005年，美國服務器市場消耗的電能是美國所發總電能的 1.2%。供電公司因這些電能消耗而進賬 27 億美元。從這些數據很容易理解，僅在美國，在這樣的電量消耗水平上，每年節省 1% 的電能就可能節省 2700 萬美元。

一種更加“綠色”的方式

　　由于建立新的發電設施成本很高，因此很多國家已經采取了所謂的“綠色政策”，即鼓勵制造商在最終產品中納入節能技術。就用在節能 DC/DC 轉換器設計中的電源管理集成電路而言，必須有兩個主要特點。首先，必須有非常高的轉換效率。其次，在備用和停機模式必須具有低靜態電流，以最大限度地降低功耗。

　　一個集成電路的效率越高，它在轉換過程中消耗的電能就越少。例如，考慮用于 DC/DC 轉換器的兩個不同的集成電路，假定向設備負載提供 5A/5V（25W）的電流和電壓。如果第一個集成電路的效率為 95%，那么我們可以得出：

　　Pout/效率 = Pin，
　　或者，在這種情況下，Pin = 25/0.95 = 26.3W

　　如果第二個集成電路的效率僅為 77%，那么我們得出：

　　　　　　　　Pin = 25/0.75 = 33.3W

　　如我們所看到的那樣，在這個例子中，能量差別是 7W。因此，在第二種情況下，必須多發 7W才能為該設備供電。這不僅增加了對電能的需求，而且還給系統的熱量設計增加了額外的負擔，因為 DC/DC 轉換器還必須散出這些轉換成熱量的功耗。

　　類似地，如果一個 DC/DC 轉換器具有大的靜態電流，那么它在工作時就需要更多功率（和能量）。考慮一個采用 4 至 5 個不同負載點（POL）轉換器的設備，總能耗很快就會達到一個不容忽視的數字。通過降低靜態電流，可以切切實實地節省能量。

　　多年來，在由電池供電的手持式產品領域，對這類電源管理集成電路的需求一直存在。不過現在，在電信和網絡系統以及電視機、電冰箱等家用電器中，能實現高效率轉換并具有低靜態電流的集成電路也正在變得越來越流行。

降低大功率系統的功耗

　　在很多“大功率”系統中，空間和冷卻系統的成本都很高。因此，就任何 POL 轉換器而言，做到緊湊、高效率并具有低靜態電流以滿足新的“綠色”標準都是極為重要。另外，很多微處理器和數字信號處理器（DSP）都需要一個內核電源和一個輸入/輸出（I/O）電源，這些電源在啟動時必須排序。設計師們必須考慮在加電和斷電操作時內核和 I/O 電壓源的相對電壓和時序，以符合制造商的性能規格要求。沒有恰當的電源排序，就可能出現閉鎖或過大的電流消耗，這有可能導致微處理器 I/O 端口損壞，或存儲器、可編程邏輯器件（PLD）、現場可編程門陣列（FPGA）、數據轉換器等支持性器件的 I/O 端口損壞。

　　在高性能、大功率電源設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，功率密度給電源設計師帶來了極大的挑戰，不管設計師經驗是否豐富都一樣。一般情況下，要求這些電源設計具有高于 90% 的轉換效率，以限制電源的功耗和溫度。因此，電源設計的熱性能尤其重要，因為只有很小的空間用來散出 DC/DC 電源轉換損耗產生的熱量，空氣流動也有限。另外，這些電源必須有卓越的輸出紋波和瞬態響應特性，同時還要限制所需的外部電容量，以減小電源設計的總體尺寸。

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　　凌力爾特公司面向“綠色”電源系統的產品具有很多獨特的性能優勢。例如，我們已經推出了適用于總線轉換器應用的集成電路，如用于實現同步正向轉換器的多相（PolyPhase®）副端控制器 LTC3706。當與凌力爾特公司的柵極驅動器和主端控制器 LTC3705 一起使用時，兩個器件組合形成了一個完整的隔離式電源，這個隔離式電源兼有多相工作的優勢和副端控制的速度。LTC3706 簡化了高效率、副端正向轉換器的設計。LTC3705 和 LTC3706 形成了一個堅固和自啟動的轉換器，無需副端控制應用中常用的獨立偏置穩壓器。此外，一個專有電路通過單個纖巧型脈沖變壓器對柵極驅動信號以及隔離勢壘兩端的直流偏置電源進行多路轉換。
 
　　用于 POL DC/DC 轉換的另一個有趣的集成電路是 LTC3736-1，這是一個兩相、雙路同步降壓型開關控制器，具有驅動外部互補功率 MOSFET 的跟蹤功能。其具有 MOSFET VDS 檢測功能的恒定頻率、電流模式架構無需電流檢測電阻，降低了成本，提高了效率。由于輸入電容器的 ESR，讓兩個控制器不同相工作最大限度地降低了功耗和噪聲。LTC3736-1 獨特的擴展頻譜架構在 450kHz 至 580kHz 范圍內隨機改變開關頻率，極大地降低了輸入和輸出電源上的峰值輻射和傳導噪聲，因此更容易符合國際 EMI 標準。脈沖跳躍工作提高了輕負載時的效率，100% 占空比實現了低壓差工作。
 
　　LTC3409 是一種 600mA、高效率、單片同步降壓型轉換器，采用恒定頻率、電流模式架構，參見圖 1。除了同步到 1MHz 至 3MHz 外部時鐘的內部鎖相環，該器件還支持 1.5MHz 和 2.25MHz 的固定頻率。這個開關頻率范圍允許使用小型表面貼裝電感器和電容器。以突發模式（Burst Mode®）工作時的電源電流僅為 60uA 至 80uA，停機時降至低于 1uA。1.6V 至 5.5V 輸入電壓范圍使 LTC3409 非常適用于 5V、2.2V 或 2.5V 電源軌的 POL 應用。用鋰離子電池輸入，LTC3409 在輸出電流高達 600mA 時能提供 1.5V 輸出，具有超過 90% 的效率。
　
                      圖 1：適用于 POL 應用的 LTC3409 的原理圖

　　還有高效率、三相 DC/DC 控制器 LTC3773，該器件能夠處理高達 36V 的輸入，并能夠以每相超過 15A 的電流支持單路、雙路或 3 路 0.6V 至 5V 的輸出電壓。這些相位中的兩個可連接在一起以產生一個 30A 的輸出，在這種情況下，兩個通道可以反相工作，以最大限度地減小輸入電容器上的壓力。所有 3 個通道都可以調節單一輸出，提供超過 45A 的電流。每個通道都可以按比例制或重合配置跟蹤，還可以用很少的外部組件順序啟動或禁止這些通道。所有 3 個通道都禁止時，該控制器在停機模式一般僅消耗 18uA 電流。在輕負載時，LTC3773 可以工作在突發模式以最大限度地提高效率，也可以工作在強制連續模式（恒定頻率工作以實現最小紋波），或者在二者之間折衷，工作在脈沖跳躍模式。

　　開關頻率可以鎖相到 160kHz 至 700kHz 的外部頻率源，或者可以用 PLLFLTR 引腳上的 DC 電壓設置。也可用典型的 220kHz、400kHz 和 560kHz 引腳可選頻率。不管在哪一種情況下，CLKOUT 引腳都表示相對于通道 1 的開關頻率處于 0o、60o 至 180o 的工作頻率，在多個控制器集成電路用同一組輸入電容器工作時，這個特點很有用。

　　在非常小的占板空間中需要 3 個 15A 的輸出時，LTC3773 是一個明顯的選擇。圖 2 所示是單個控制器的原理圖，用一個不嚴格穩定的電源提供 3 個低壓、大電流輸出。
　 
   圖 2：LTC3773 的 3 個獨立輸出，用單一 4.5V 至 22V 電源提供 2.5V、1.8V 和 1.2V 電壓

　　與單相開關穩壓器相比，兩相轉換器加在輸入電容器上的紋波電流較小，因此減小了尺寸和成本。這種方法讓開關的電流脈沖交錯，極大地縮短了重疊在一起的時間。較小的紋波電流意味著較低的功耗和較高的效率以及減少了電磁干擾。兩相轉換器還將有效的開關頻率倍增，從而降低了輸出紋波電壓。

更加“綠色”的電源剛出現

　　很明顯，電氣系統節能正在成為全球熱點。發電成本和耗電成本的節省太令人關注了，這個世界上誰都不能忽視這個問題。很多電源管理集成電路供應商都在積極迎接這一挑戰。這些供應商采用了新的設計方法，其產品在數十安培負載電流時實現了高效率轉換。同時，這些集成電路在備用或停機模式時，也實現了較低的靜態電流。

　　所有這些努力對社會都有潛在好處。通過降低電氣系統消耗的功率，可以減少增加發電廠的需求。這意味著，減少了新建發電廠占用的土地以及新建發電廠運轉所需的燃料，并減少了排放到周圍環境中有害物質，減輕了污染問題。因此，我們正在齊心協力讓地球變得更美好，讓下一代擁有一。