高效“绿色”电源管理解决方案

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  今天,随着全球能源紧张的日益加剧和对废气排放等环境保护方面愈加严格的关注和限制,节能增效作为一个重要概念已经进入每个人的日常生活。各国对节能的标准也愈加严格。如国际能源署(International Energy Agency,简称IEA)2000年推出的到2010年将所有产品的待机能耗降到1 瓦(W)以下的“1 W计划”。中标认证中心(CSC)从2006年起主办的每年一次由安森美半导体协办的“1w论坛”把待机节能的概念引入中国,起到了良好的作用。尽可能采用高效节能的产品日趋成为人们的共识。在现代化的家庭生活中,各种电器产品的应用可以说是与日俱增,对电力的需求也随之而提高。伴随着节能意识的增加,扩大绿色电源的使用也成为与每个家庭日常生活息息相关的节约能源的重要组成部分,
  
  绿色电源的定义及要求
  
  通常提到节电节能产品,人们自然而然地都会想到选用效率高的产品。其实效率高只是绿色电源各项评定指标之一。在全球制定的各项节能标准中,如美国“能源之星”、欧洲“蓝色天使”等,除在电源效率上有明确的规定外,还对待机能耗提出严格的要求,而这一部分又往往为人们忽视。待机能耗分为两类;一是在电源空载时,从交流电源吸收最小的功率,如电池充电器、交流-直流墙式适配器等。二是在系统轻载时, 但依然有一些智能功能在工作,如电视机(LED亮着, 微处理器等待遥控信号)、空调、DVD、笔记本电脑适配器等。 虽然待机能耗要比设备发挥正常功能时消耗的电能小得多,但是待机能耗是电子设备、家用电器和办公自动化设备电力浪费的主要来源。正是由于待机状态下设备不发挥任何功能,待机能耗就是一种完全的能源浪费。如我国以前电视机的待机能耗可达到十几瓦,而优秀CRT电视电源的待机能耗可低于3 W甚至1 W以下。如果目前的CRT电视全部采用低待机能耗的电源,至2011年可节省超过60亿元人民币的电费支出,其差别可见一斑。因此降低待机能耗是衡量绿色电源的一项重要指标。另外,针在大于75 W以上的应用,国际能源署IEA还对电子产品的功率因数(Power Factor)有明确的要求。功率因数是指实际功率和视在功率之比。提高功率因数可以降低谐波污染,是高效电源的不可或缺的环节。目前通常分为有源功率因数校正(APFC)和无源功率因数校正两种,无源功率因数校正设计简单,但由于效率差、体积大因此可以使用的场合已非常有限。有源功率因数校正采用半导体技术,通过半导体器件的高速开关实现输入电流与输入电压零相位差,有效降低谐波干扰。有源功率因数校正由于体积小效率高已经替换无缘功率因数校正之势,渐渐成为主流。总之,绿色电源应该是集高效、低待机以及低谐波污染的优质电源。
  
  常见的降低待机能耗技术
  
  在电源设计中,采用不同的拓扑结构,如软开关、同步整流等技术可以有效提高电源在工作状态下的效率。目前电源管理半导体技术研究的一个焦点集中在如何引入新技术,在降低待机能耗方面实现新的突破。要解决待机能耗问题,必须搞清楚损耗在哪里。在电源电路中,通常的待机损耗来自启动电路、驱动电路、开关损耗、偏置电路、输出整流器、磁性组件等。电源管理芯片可以通过集成一些功能和技术,针对上述待机损耗来源制定相应对策来实现待机功能。安森美半导体常见的待机技术有跳周期、频率回走等。
  
  1. 高压启动和动态自供电 (Dynamic Self Supply)
  在传统如使用UC3842设计的电源启动电路中,通常都采用从高压(直流300V~400V)串接一个高阻值电阻来启动电源。此电阻构成了待机能耗重要部分。一般情况下不得不尽量加大该电阻阻值以降低损耗。但是由此带来的后果就是导致启动时间延长,这在某些应用中如适配器电源是不允许的。安森美半导体很多电源管理芯片内置高压电流源,可以直接从高压端与电源芯片相连启动电源。当电源启动后辅助电源工作VCC开始工作,内部高压电流源关断由VCC供电。这样既可以降低启动损耗又可以有效保证启动时间。另外,安森美半导体的专利技术动态自供电(DSS)可以省去启动电阻并无需从变压器引出VCC线圈(图1),该技术在某些应用如CRT的待机设计中可以起到独特的作用将待机损耗降至极低。
  
  2.跳周期
  跳周期是一种常用的降低待机能耗方法。众所周知,目前电源为提高效率通常都采用开关电源模式,通常的开关频率在几十到几百千赫兹之间,个别可以达到上兆赫兹的水平。由于开关次数高,因此在电源的整体损耗中,特别是在高频高电压大电流应用中,开关损耗占了相当大的比例。而在待机时输出负载需求很低。安森美半导体电源管理芯片可以内部集成比较器,通过监测反馈信号,当负载降低时使驱动信号处于非连贯的簇脉冲替代连续脉冲。安森美半导体的PWM控制器如NCP12XX系列均具有跳周期功能,这样通过跳周期的方式可有效降低待机能耗满足常见的待机标准。
  
  3.频率回走
  频率回走常用于小功率的应用。所谓的频率回走是指当负载降低时,通过将原有的开关频率降低来减少开关损耗。安森美半导体的PWM控制器NCP1215/NCP1351采用这种待机形式,在轻载或空载时延长Toff时间是开关品率降低以达到省电的目的。在充电器的应用中可以达到0.3w以下的待机水准。
  


  
  最新先进的节能技术
  
  安森美半导体在待机技术方面独树一帜,不断研发新技术保证在节电领域的领先地位。在广泛采用跳周期和频率回走等常见待机技术之外,安森美半导体还不断开拓新技术。如创新技术之一的软跳周期技术(图3)。最新推出的NCP1271增强型PWM电流模式控制器采用软跳周期技术来控制峰值电流并消除一些开关脉冲,从而控制开关损耗,以实现空载、轻载状态下的卓越高效性能,还可以在变压器进入跳周期工作时有效地消除噪声,满足节能、待机与工作状态等各种要求。创新之二,在大于75 W存在PFC的情况下,安森美半导体也设计了功能独特的芯片与以降低待机损耗。待机时,负载远远低于75 W,这是对功率因数并无要求。而在传统有源PFC的拓扑中通常采用开关型升压电路(Boost),其开关频率也在几十到几百千赫兹之间,其开关损耗不可小视。安森美半导体推出的固定频率电流型PWM控制器NCP1230和准谐振电流模式PWM控制器NCP1381具有在待机状态下,关闭PFC的功能(图4)。NCP1230和NCP1381都有一个专用的引脚用来连接PFC控制器的VCC引脚。当芯片检测到系统进入待机时,会自动切断PFC 的VCC供电。这样等于省去了一个损耗环节,可以实现超低待机损耗。最近,安森美半导体还推出的一款PFC控制器NCP1605其自身也具有跳周期的节电功能,为电源设计者提供了更加灵活的选择。此外,安森美半导体电源管理芯片通过新技术实现功能的高度集成,如使用无线圈去磁检测技术(Soxyless)的准谐振控制器NCP1337可以省略传统准谐振拓扑中必需的去磁引脚,通过栅极检测这种专利技术起到简化外围电路设计的作用,也相应减少了功率损耗,帮助客户轻松实现产品的差异化。安森美半导体充分利用各种先进的待机技术,并高度集成于控制芯片内部,推出适用于各种拓扑各种应用的PWM和PFC控制器,为客户实现节能设计提供有力保证。
  


  
  以高效而完整的电源解决方案
  满足客户绿色设计需求
  
  


  电源管理芯片是高效电源的核心器件但并不代表全部。如何合理使用电源管理芯片使其最大限度发挥功效一直是电源设计者比较头痛的问题。同样的电源管理芯片在不同的应用场合设计技巧也非常值得考究。安森美半导体提供的不仅仅是单颗控制芯片。首先,针对不同的应用,安森美半导体开发相应的芯片,在有限资源内最大幅度发挥芯片的功能。更重要的是,注重提供给客户完整的电源解决方案而不是单一芯片的应用,从系统角度出发研制的电源管理产品从性能到成本都能为终端客户所青睐。例如通过与制订行业标准的机构和全球客户紧密协作,安森美半导体开发出GreenPoint电源解决方案,完全符合大规模生产的要求。如针对大尺寸液晶电视电源解决方案(图5),采用高性能PFC控制器NCP1605和软开关半桥谐振控制器NCP1396,效率在全电压输入范围内可高达87%以上。待机控制器NCP1027胞正在0.5 W负载时输入仍小于1 W。除此之外,在适配器、ATX台式机等应用也推出相应的参考设计,为终端客户节省了从选型到设计、调试等诸多环节,在降低设计周期的同时,也有效降低了终端客户的设计成本。
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