致力于“綠色”電源技術

安森美半導體

　　人們在日常工作和生活中廣泛使用著各類電子電器設備。這些設備不僅工作時所消耗的電能巨大，而且其在待機狀態下仍然消耗不少的電能。有鑒于此，各國政府和國際組織紛紛頒布并施行各種節能規范標準。具體而言，電子電器設備的綠色節能法規主要從電源工作效率、待機能耗和功率因數這三個方面入手。

先進的設計技術和方案讓電源更加“綠色”節能

　　要使電子電器設備更加“綠色”節能，一般需要從提高電源工作效率、改善功率因數和降低待機能耗等方面下功夫。以計算機電源為例，其功率損耗的來源大致如圖1所示。要提高其電源效率，就要提高每一段(Stage)的效率，并盡力減少功率處理段的數量。
　
                      圖1：計算機電源不同段的功率損耗所占比例

　　對于功率因數校正(PFC)段而言，首先要確定它采用哪種工作模式，如連續導電模式(CCM)或臨界導電模式(CRM)等。針對這兩種模式，安森美半導體都能夠提供能效高于93%的解決方案，如NCP1606和NCP1654等，超過諸多法規的要求。其中，就CCM模式而言，要實現更高的效率，可以采用以下策略：
　　1) 優化開關選擇(輕載時開關損耗占主導，更傾向于建議犧牲導通電阻Rds-on，以獲得更快的開關速度)；
　　2) 采用軟恢復升壓二極管；
　　3) 選擇合適大小的電感，以降低電感中的銅線損耗(磁芯損耗較小)

　　而對于非連續導電模式(DCM)或CRM而言，要實現更高的效率，建議的策略如下：
　　1) 優化電感磁芯，以降低磁芯損耗和高頻繞組損耗；
　　2) 選擇更低的Rds-on開關；
　　3) 不須過于在意升壓二極管的選擇。

　　圖2a和2b別顯示了安森美半導體NCP1606和NCP1654在不同功率和模式應用下的能效。其中，從圖2a我們可以看出，它在CRM工作模式時，輕載狀態下的能效更高，因為輕載時開關損耗較低。
　
　
                        圖2a：基于NCP1606的240 W CRM PFC能效(Vin = 100 Vac)
                        圖2b：基于NCP1654的300 W CCM PFC能效(Vin = 110 Vac)

　　而在主開關電源段，要提高其能效，可采取以下策略：
    1)降低初級側的導電損耗。具體的做法是：降低導通阻抗(更高開關損耗)和/或降低初級側峰值電流及均方根(RMS)電流；
　　2)降低開關損耗(考慮軟開關技術)；
　　3)次級側損耗：減少整流器壓降(使用低Vf二極管或FET整流器)；
　　4)降低磁芯損耗：采用更好的材料。

　　針對計算機高能效電源解決方案的需求，安森美半導體近期還推出了率先滿足美國能源之星對臺式計算機ATX電源性能要求的300W GreenPoint ATX參考設計。該參考設計在高電壓輸入時可以達到86.5%的滿載高能效，在20%負載和低電壓輸入時則達82.5%能效，和目前市場上常見平均 70%能效的電源比較，該設計可以降低電源損耗達50%。此外，安森美半導體的ATX參考設計還符合IEC61000-3-2功率因數要求。

　　如前所述，電子電器設備的待機能耗非常驚人，世界各地的相關法規也非常之多。作為產業鏈上游的半導體公司，也積極運用各種技術來幫助降低電源的待機功耗。

　　而要解決待機能耗問題，同樣必須搞清楚損耗在哪里。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。電源管理芯片可以通過集成一些功能和技術，針對上述待機損耗來源制定相應對策來實現待機功能。常見的待機技術有跳周期、頻率回走等。

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　　1)高壓啟動和動態自供電。安森美半導體很多電源管理芯片內置高壓電流源，可以直接從高壓端與電源芯片相連啟動電源。當電源啟動后輔助電源工作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)可以省去啟動電阻并無需從變壓器引出VCC線圈(圖3），該技術在某些應用如CRT的待機設計中可以起到獨特的作用將待機損耗降至極低。
　
                                     圖3： 動態自供電示意圖。
　　2)跳周期。跳周期是一種常用的降低待機功耗方法。安森美半導體電源管理芯片可以內部集成比較器，通過監測反饋信號，當負載降低時使驅動信號處于非連貫的簇脈沖替代連續脈沖。
　　
                                圖4：跳周期示意圖。
　　3)頻率回走。頻率回走常用于小功率的應用。所謂的頻率回走是指當負載降低時，通過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NCP1351采用這種待機形式，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0.3 W以下的待機水準。

　　除此之外，安森美半導體的一項創新技術就是軟跳周期技術。最新推出的NCP1271增強型PWM電流模式控制器采用軟跳周期技術來控制峰值電流并消除一些開關脈沖，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周期工作時有效地消除噪聲，滿足節能、待機與工作狀態等各種要求。

　　安森美半導體的另一項創新，也就是在大于75 W存在PFC的情況下，設計了功能獨特的芯片與以降低待機損耗。待機時，負載遠遠低于75 W，這是對功率因數并無要求。而在傳統有源PFC的拓撲中，通常采用開關型升壓電路(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(圖6）。NCP1230和NCP1381都有一個專用的引腳用來連接PFC控制器的VCC引腳。當芯片檢測到系統進入待機時，會自動切斷PFC 的VCC供電。這樣等于省去了一個損耗環節，可以實現超低待機能耗。
　
                                圖5： 待機時關閉PFC示意圖。

總結

　　為了實現電子電器設備的節能環保，世界各國政府和國際組織紛紛從提高電源工作效率、降低待機能耗和提高功率因數等角度制定相應的電源節能規范標準。這些要求已產生并將繼續產生可觀的經濟和社會效益。為了持續支持電源滿足并超越各種節能規范標準，安森美半導體不斷利用各種技術來提升電源的工作效率和功率因數，并降低待機能耗；更推出完善而高效的GreenPoint電源參考設計，來滿足減少設計環節，加快產品上市進程。