創(chuàng)新交錯(cuò)式PFC結(jié)構(gòu)能夠改善AC/DC轉(zhuǎn)換效率
由于身處電源系統(tǒng)的最前端,AC/DC轉(zhuǎn)換器的效率和節(jié)能特性變得越來越重要。影響AC/DC轉(zhuǎn)換器效率提升的因素包括銅損耗、磁芯(磁性元件)損耗、EMI濾波器損耗和開關(guān)器件損耗等。這既牽涉到原材料本身的改進(jìn)也涉及設(shè)計(jì)復(fù)雜程度和設(shè)計(jì)技巧的問題。安森美半導(dǎo)體汽車及電源管理部全球銷售及市場總監(jiān)鄭兆雄介紹道,對此,安森美半導(dǎo)體的思路是針對具體功率應(yīng)用需求選擇合適的工作模式,如連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)、臨界導(dǎo)電模式(CRM)或不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)等,優(yōu)化材料的選用并采用合適的設(shè)計(jì)技巧。基于安森美NCP1606的240W CRM PFC可以實(shí)現(xiàn)高于93%的效率,基于NCP1654的300W CCM PFC更可實(shí)現(xiàn)高于95%的效率。此外,還可以考慮采用最新的PFC結(jié)構(gòu),如無橋PFC和交錯(cuò)式PFC等。安森美半導(dǎo)體目前已經(jīng)擁有符合80 PLUS規(guī)范要求的方案,并將在今年推出能效達(dá)85%的解決方案。
安森美半導(dǎo)體汽車及電源管理部全球銷售及市場總監(jiān)鄭兆雄。
除了采用損耗較低的器件,改善AC/DC電源性能主要還可通過諧振轉(zhuǎn)換、同步整流等技術(shù)來進(jìn)行。飛兆半導(dǎo)體(Fairchild)公司計(jì)算、通信和消費(fèi)電子產(chǎn)品高級市場總監(jiān)Guy Moxey解釋道,過去,運(yùn)用諧振技術(shù)的最大障礙是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過于復(fù)雜。LLC技術(shù)可消除大部分的不利因素,使用飛兆半導(dǎo)體的FSFR2100 LLC控制器可以最少的元件實(shí)現(xiàn)LLC轉(zhuǎn)換器,從而降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性,并可在多種應(yīng)用中用于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。
良好的PFC設(shè)計(jì)對于提高效率大有裨益。正如德州儀器中國區(qū)高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理張洪為所強(qiáng)調(diào)的,“采用定頻CCM的PFC通常會(huì)EMI太高,肖特基二極管的反向恢復(fù)造成的耗散太高；變頻的臨界模式則往往峰值電流太大、效率較低?！币虼?TI在2007年發(fā)布了2款交錯(cuò)式PFC:UCC28060(臨界模式)和UCC28070(連續(xù)模式),前者很好地解決了600W以下的PFC設(shè)計(jì)問題,后者則通過雙路交替,任意級聯(lián)無限擴(kuò)充的方法,解決了600W以上乃至數(shù)千瓦應(yīng)用的PFC問題。這兩款集成化交替模式的解決方案能夠大幅降低EMI濾波器的成本開銷,提高效率,并減小熱應(yīng)力和磁芯尺寸。
對于提高AC/DC轉(zhuǎn)換效率,亞諾德半導(dǎo)體(ADI)公司提供了另一種解決思路:在當(dāng)前大部分系統(tǒng)中,AC/DC轉(zhuǎn)換器并不與系統(tǒng)就運(yùn)行狀態(tài)信息和供電方面進(jìn)行通信。如果系統(tǒng)實(shí)時(shí)地向AC/DC轉(zhuǎn)換器發(fā)送供電需求,AC/DC轉(zhuǎn)換器可以根據(jù)信息改變運(yùn)行結(jié)構(gòu)或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即使負(fù)載在大范圍變化也能實(shí)現(xiàn)較高的效率。
“通過電源的智能控制,可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與電源轉(zhuǎn)換器之間的通信?？梢詫?shí)時(shí)地向脈寬調(diào)制控制器發(fā)送優(yōu)化的電壓與電流控制信號。系統(tǒng)控制器通過數(shù)字信號處理器或微控制器讀取電壓、電流、效率與溫度數(shù)據(jù)。此外,系統(tǒng)還可以監(jiān)控供電情況?！盇DI亞太區(qū)電源管理產(chǎn)品總監(jiān)翟至鈞說。ADI公司新推出的ADP1043數(shù)字脈寬調(diào)制(PWM)電源控制與管理器件為設(shè)計(jì)工程師提供高度集成的電路架構(gòu)和靈活性,利用直觀的GUI(圖形用戶接口)可以在幾分鐘內(nèi)配置系統(tǒng)電源參數(shù)。在終端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方面,ADP1043有助于系統(tǒng)集成人員優(yōu)化電源供電效率,同時(shí)縮短設(shè)計(jì)周期,實(shí)現(xiàn)智能的電源管理系統(tǒng)。
Power Integrations(PI)公司市場副總裁Doug Bailey的觀點(diǎn)是,電源效率的提高要?dú)w功于造成損耗的各種元件的減少。由于電容引起的開關(guān)損耗、MOSFET的傳導(dǎo)損耗以及輸出二極管損耗占著主導(dǎo)地位。采用更大的MOSFET、用于諧振的雙開關(guān)解決方案、用MOSFET代替輸出二極管都是一些很容易實(shí)現(xiàn)的拓?fù)渥兓?這些方法可以獲得實(shí)質(zhì)性的效率改善。PI的LinkSwitch產(chǎn)品線通過消除二次反饋和光耦可實(shí)現(xiàn)提高效率和減低成本的目標(biāo)。去除包括電流感測電阻和光偏置在內(nèi)的耗能元件可提高系統(tǒng)效率并降低成本。
DC/DC轉(zhuǎn)換的重點(diǎn)仍然是針對待機(jī)條件優(yōu)化效率
對于DC/DC轉(zhuǎn)換器而言,要提高其能效需要從多方面入手。例如,降低變壓器初級導(dǎo)通損耗、降低開關(guān)損耗、降低次級損耗及降低磁芯損耗等。安森美的鄭兆雄表示,可以分別通過降低導(dǎo)通阻抗和/或降低初級峰值電流及均方根電流；采用軟開關(guān)技術(shù)；降低整流器壓降(使用低正壓降的二極管或FET整流器)；采用更好的磁芯材料來實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)。從整體角度來看,提高DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率,可以允許使用尺寸更小的電感等外圍器件,從而節(jié)省電路板空間并降低成本。
TI的張洪為強(qiáng)調(diào),不可小視通常只有μA級大小的DC/DC待機(jī)電流,“以移動(dòng)設(shè)備為例,如果能將3路DC/DC的待機(jī)電流從450μA降到45μA,待機(jī)時(shí)間就會(huì)延長50%?！盩I的全系列DC/DC器件幾乎全部采用新型的工藝和控制方法,實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)電流的最小化。例如典型值為15uA每通道的TPS6226x系列。針對較大電流的應(yīng)用,TI推出了電流模式有源鉗位PWM控制器UCC2897,相比半橋諧振,它無論在滿載、半載還是輕載條件下都能實(shí)現(xiàn)很高的效率,而且對負(fù)載的瞬變反應(yīng)非?？?能夠滿足最苛刻的電信級需求。
在手機(jī)等便攜式應(yīng)用中,大多數(shù)穩(wěn)壓器都是在給處于待機(jī)或睡眠模式的負(fù)載(微處理器)供電。這時(shí),系統(tǒng)無法受益于轉(zhuǎn)換器的高效率(有90%的時(shí)間處于輕載狀態(tài))。為克服這個(gè)兩難的問題,飛思卡爾公司發(fā)明了獨(dú)特的Z-factor技術(shù),在輕載時(shí)也能提供很高的效率(85%以上)。該技術(shù)在輕載時(shí)使用了脈沖跳頻技術(shù),而輸出紋波非常低,使得從PFM到PWM的轉(zhuǎn)換非常平滑?！霸谶x購DC/DC轉(zhuǎn)換器時(shí),一定要注意能否在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)保持高效率”,飛思卡爾半導(dǎo)體中國及東南亞地區(qū)模擬產(chǎn)品市場營銷經(jīng)理Norman Chan指出。
飛思卡爾半導(dǎo)體中國及東南亞地區(qū)模擬產(chǎn)品市場營銷經(jīng)理Norman Chan。
由于大部分DC/DC轉(zhuǎn)換器的損耗來自開關(guān)晶體管(對于低壓DC/DC,這里指的是MOSFET)。飛兆半導(dǎo)體現(xiàn)有的MOSFET已具有低RDSON和低柵電荷的特性。在轉(zhuǎn)換器中,滿載條件下低端同步FET是最大的損耗產(chǎn)生源(由I2 x RDSON決定)。因此,RDSON越小,損耗就越低,可實(shí)現(xiàn)的效率也越高。而在輕載條件下,高端器件的開關(guān)損耗占據(jù)主導(dǎo),因此飛兆半導(dǎo)體開發(fā)了具有更低開關(guān)損耗的FET技術(shù)。
美國國家半導(dǎo)體(NSC)亞太區(qū)電源管理產(chǎn)品市場營銷經(jīng)理吳志民指出,電路拓?fù)涞母倪M(jìn)對于效率提高只有增效作用。他認(rèn)為更好的方法是從總體上考慮系統(tǒng)電源要求。在自適應(yīng)電壓調(diào)整(Powerwise AVS)等數(shù)字電源技術(shù)的幫助下,可以通過自動(dòng)調(diào)整供電電壓來適應(yīng)不同的工作條件,從而優(yōu)化總體系統(tǒng)效率。
不過,數(shù)字電源和模擬電源在靈活性和成本方面各有其優(yōu)勢。安森美半導(dǎo)體的鄭兆雄表示,數(shù)字電源可為系統(tǒng)和板上IC功能性提供一定的靈活性,但數(shù)字電源目前只適用于細(xì)分的利基應(yīng)用,因?yàn)榻鉀Q方案成本仍然很高。TI則認(rèn)為,數(shù)字電源在較大功率、較復(fù)雜輸出響應(yīng)或者可變輸出響應(yīng)等方面有很大的優(yōu)勢,但在中小功率,通用性較大的產(chǎn)品以及便攜式產(chǎn)品中暫時(shí)不會(huì)有較大突破。飛思卡爾的Norman Chan對此亦有認(rèn)同,“對于較復(fù)雜的系統(tǒng)和大功率應(yīng)用而言,數(shù)字電源可利用更多的智能來幫助整個(gè)系統(tǒng)節(jié)省所用功率,此外,有些數(shù)字控制方案可用來減少在高開關(guān)頻率轉(zhuǎn)換器中日益增大的開關(guān)損耗?！?p>
可驅(qū)動(dòng)多達(dá)96個(gè)白光LED的驅(qū)動(dòng)器即將問世
發(fā)光效率高、使用壽命長使得LED技術(shù)能夠很好地適應(yīng)節(jié)能環(huán)保規(guī)范的要求。除了通過改進(jìn)半導(dǎo)體材料及其工藝技術(shù)來提高LED性能外,半導(dǎo)體廠商也正在開發(fā)更高效率、更高集成度、更小封裝和更大電流的LED驅(qū)動(dòng)器。
升壓型LED驅(qū)動(dòng)器的效率在很大程度上取決于被驅(qū)動(dòng)的LED數(shù)以及所需的LED電流。NSC的吳志民說道,“通常,我們的驅(qū)動(dòng)器可以達(dá)到80%以上的效率。為進(jìn)一步提升效率,諸如LM3430+LM3432和LM3431這樣的大面板LED背光解決方案還具有動(dòng)態(tài)余量特性。經(jīng)升壓后的電壓可自我調(diào)整到僅夠驅(qū)動(dòng)串聯(lián)LED的大小,這樣就能使驅(qū)動(dòng)LED的恒流源功耗保持最低水平。”除了考慮驅(qū)動(dòng)器效率,還需要關(guān)注器件的輸出紋波、負(fù)載和線性調(diào)整率、開關(guān)頻率等參數(shù)。
目前大多數(shù)用于背光驅(qū)動(dòng)的DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器效率在80至90%的范圍內(nèi)。飛思卡爾公司采用獨(dú)有的SMARTMOS技術(shù)和IP設(shè)計(jì)可以達(dá)到90%的效率,其器件在單個(gè)芯片中集成了DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器和LED驅(qū)動(dòng)器,因此有可能在點(diǎn)亮所有LED的同時(shí)獲得最高的效率。凌力爾特(Linear)公司的LED驅(qū)動(dòng)器大多能夠提供約95%的轉(zhuǎn)換效率。其中,多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大電流LED驅(qū)動(dòng)器LT3755能夠以93%的效率(在升壓模式中)驅(qū)動(dòng)一個(gè)高達(dá)50W的LED串。
據(jù)Power Analog Microelectronics(PAM)公司工程副總裁方樂章介紹,PAM推出的PAM2846是一款高效率升壓型白光LED驅(qū)動(dòng)芯片,針對7至15英寸大小的顯示應(yīng)用開發(fā)。它可以在輸入電壓在4.5至28V時(shí)驅(qū)動(dòng)最多6串(每串12個(gè)),總共72個(gè)LED。通過采用串電流控制電路,各個(gè)串之間的電流偏離值不會(huì)超過3%,因此可確保所有LED都能夠達(dá)到同樣的亮度。方樂章透露,公司最新開發(fā)的PAM2848器件將能夠驅(qū)動(dòng)多達(dá)96個(gè)LED。
對手機(jī)等便攜設(shè)備的電池壽命而言,LED背光是最耗電的因素之一。隨著圖形和視頻處理能力迅速增強(qiáng),顯示屏尺寸和背光LED數(shù)量都有所增加,終端用戶也要求更高的顯示亮度。針對以上需求,ADI的翟至鈞提出,調(diào)光控制是一種保持較低平均功耗的有效方法。但在一個(gè)高效的設(shè)計(jì)中,調(diào)光控制算法的調(diào)光電流電平設(shè)置和占空比控制等方面都非常復(fù)雜。在某些情況下,基帶處理器沒有足夠的資源來實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制。專用的背光器件通過給照明單元提供上述功能以及通過串行總線與處理器進(jìn)行通信的能力,可以解決這個(gè)問題。
突發(fā)模式技術(shù)將待機(jī)靜態(tài)電流減小至10μA
待機(jī)能耗包括兩個(gè)因素,一是電源空載時(shí)的能耗,二是系統(tǒng)輕載時(shí)的能耗。安森美半導(dǎo)體在降低待機(jī)能耗方面擁有許多技術(shù)和解決方案,如高壓啟動(dòng)和動(dòng)態(tài)自供電、跳周期、軟跳周期、頻率回走以及準(zhǔn)諧振技術(shù)等。準(zhǔn)諧振開關(guān)能力可以降低能耗,并減少所需的元器件數(shù)量。安森美半導(dǎo)體的NCP1207準(zhǔn)諧振控制器與現(xiàn)有的固定頻率控制器相比,具有更高的能效,并能夠降低待機(jī)能耗。NCP1207能將100W電視機(jī)電源的待機(jī)功耗降到低于1W水平,符合最新的能效規(guī)范要求。
NSC最新推出的LM20000系列產(chǎn)品由一系列同步整流降壓穩(wěn)壓器組成。除了提供滿載時(shí)的高效率特性外,這些穩(wěn)壓器支持輕載時(shí)的非連續(xù)導(dǎo)通操作。如果負(fù)載進(jìn)一步被降低到低于四分之一瓦,則這些IC將開始進(jìn)入跨周期工作狀態(tài)。由LM20000系列供電的產(chǎn)品可以利用這些多級節(jié)能待機(jī)特性輕松滿足待機(jī)功率的要求。
凌力爾特?fù)碛屑婢吒咿D(zhuǎn)換效率和低靜態(tài)電流的電源管理IC,在其許多電源管理IC中都采用了Burst Mode(突發(fā)模式)技術(shù)。這種方法最大限度地減小了IC本身在待機(jī)模式期間所需的電流。在許多應(yīng)用中,該待機(jī)靜態(tài)電流低至10至20μA。
PI公司正在生產(chǎn)的適配器解決方案也具有很高的性價(jià)比,在空載模式下只需30mW。該數(shù)字比能源之星2.0和EuP標(biāo)準(zhǔn)(300mW)還要低10倍。
“我們可以在產(chǎn)品中使用各種方案、IP和技術(shù)來降低正常工作或待機(jī)模式時(shí)的功耗”,Norman Chan談到,首先,飛思卡爾公司的SMARTMOS硅片工藝可以實(shí)現(xiàn)很低的漏電流和基底電流,以至靜態(tài)功耗可以降到非常微小的級別(亞微安范圍)。其次,飛思卡爾FET的導(dǎo)通電阻非常低,從而能夠確保由于熱效應(yīng)和寄生加載引起的功率浪費(fèi)被減小到最低。最后,從設(shè)計(jì)的角度看,不管是硅片級還是電路板級,通過節(jié)能技術(shù)和優(yōu)良的功能可以在各種系統(tǒng)工作模式下實(shí)現(xiàn)最小的功耗,同時(shí)不會(huì)犧牲期望的輸出性能。
太陽能電池和燃料電池的商用亟待提高轉(zhuǎn)換效率
電能消耗巨大且能源使用效率不高是目前全球共同面臨的問題。許多公司和政府正在積極尋求新能源和能源替代品,這些新的替代能源應(yīng)對環(huán)境產(chǎn)生的影響較小,并且來自較潔凈和自然的資源,它們包括燃料電池、風(fēng)能、太陽能、水力、地?zé)?、潮汐等等?p>
安森美半導(dǎo)體的鄭兆雄指出,在所有的綠色電源技術(shù)中,太陽能電池技術(shù)備受矚目。太陽能電池包括單晶硅、多晶硅及薄膜硅太陽能電池等不同類型。但由于晶硅原材料的短缺問題,使得不少太陽能電池設(shè)備都處于停產(chǎn)狀態(tài),而且不斷上漲的硅價(jià)格也使得太陽能電池商用的挑戰(zhàn)加大。相對而言,薄膜硅太陽能電池僅消耗相對于普通太陽能電池1%的硅,因此不少廠商都在加大薄膜硅太陽能電池的生產(chǎn)。
無獨(dú)有偶,德州儀器(TI)也十分看好太陽能的發(fā)展前景。“太陽能電池是目前發(fā)展最快的綠色能源”,張洪為表示,開發(fā)太陽能電池的關(guān)鍵在于提高效率以及降低制造成本。目前興起的有機(jī)薄膜太陽能電池技術(shù)能大大提高轉(zhuǎn)換效率,此外,能夠最大限度汲取太陽能電能的直流轉(zhuǎn)換技術(shù)也不可忽視,TI推出的DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器TPS61200可支持太陽能電池與微型燃料電池等新型電源在便攜式設(shè)備中的應(yīng)用,可在不足0.3V的輸入電壓下高效工作,啟動(dòng)電壓也僅為0.5V。
除了太陽能系統(tǒng)需要將太陽能轉(zhuǎn)換為電能,風(fēng)力發(fā)電、水利電氣或其它系統(tǒng)都需要將這些綠色能源轉(zhuǎn)換成電能。凌力爾特電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場經(jīng)理Tony Armstrong表示,“凌力爾特在DC/DC功率轉(zhuǎn)換技術(shù)方面具有優(yōu)勢,許多用于獲得新型能源并將其轉(zhuǎn)換成電能的系統(tǒng)都將采用我們的產(chǎn)品?！?p>
凌力爾特電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場經(jīng)理Tony Armstrong。
燃料電池是可用于電池供電設(shè)備的一種先進(jìn)技術(shù)。由于這些電池?zé)o需重復(fù)充電,只要提供氫燃料就能提供充足的電能和熱量,因此非常適應(yīng)環(huán)保要求。事實(shí)上,業(yè)界正在競相生產(chǎn)適合便攜式設(shè)備(如射頻識別RFID)使用的燃料電池,并不斷推進(jìn)其商用化。Norman Chan透露,飛思卡爾正在研發(fā)與這種綠色能源有關(guān)的電源管理器件。
他還談到,目前的發(fā)展趨勢是盡可能地提高燃料或能量效率并減小能源浪費(fèi)。從IC的角度看,產(chǎn)品需要在低功耗和低耗散方面進(jìn)行改善。針對這一需求,飛思卡爾推出了具有低導(dǎo)通電阻RDSON和超低漏電流的制造工藝(SMARTMOS),這種工藝非常適合便攜式消費(fèi)類和醫(yī)療設(shè)備市場中對電能消耗較敏感的產(chǎn)品使用。
不過,安森美半導(dǎo)體的鄭兆雄也表示,燃料電池和太陽能電池等都屬于下一代的電源技術(shù),目前還在探索階段,無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、成本適宜的商用。鄭兆雄指出,在新一代電源技術(shù)大規(guī)模商用就緒之前,安森美半導(dǎo)體充分利用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新,開發(fā)出GreenPoint電源解決方案來提升電源工作效率、降低待機(jī)能耗及改善功率因數(shù),以整體性的方法來節(jié)省及降低能耗。PAM公司首席科學(xué)家茅于海教授補(bǔ)充說,當(dāng)前利用太陽能最大的問題是太陽能板的效率較低(通常低于15%),且價(jià)格昂貴。如果太陽能的轉(zhuǎn)換效率能夠提高到30%,同時(shí)進(jìn)一步降低成本,那么就有可能大范圍地推廣應(yīng)用。
作者:Nicole Chen
《電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)》
（電子工程專輯）
