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高能效电源解决方案应对能效挑战
作者:安森美半导体 郑兆雄
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电池/开关电源展厅
电池, 碱性电池, 锂离子电池, 纽扣电池, 太阳能电池, ...
今天,随着能源短缺和全球变暖现象的加剧,各国政府都在大力倡导可持续发展,提出了各种环保指令。同时,环保意识也已成为消费者的共识,他们越来越关注小尺寸、多功能、节能省电等问题。美国的一项最新调查显示,有近七成的美国消费者愿意花更多的钱购买环保节能的产品。这种符合环保要求的设计对电源市场提出了更高的要求。

能效规范推动高能效产品需求

在能效规范和环保意识的推动下,电源市场正在发生巨大的变化。2008年全球电源市场预测表明,最大的需求来自计算机电源,其次是液晶电视、电子镇流器、适配器电源。随着计算机、液晶电视、笔记本电脑市场的持续发展,对于这些产品的高能效电源的需求也在与日俱增。

世界各地的政府机构和行业组织都纷纷制定相应的能耗规范标准,除了“80 PLUS”,业界还对计算机电源提出了更新的节能要求。例如,计算产业气候拯救行动(CSCI)提出了更高的节能要求,也就是计算机电源在20%、50%和100%负载条件下除了要在2007年7月达到80%,还要在后续的几个时段达到更高要求。除了将于2009年7月1日生效的美国“能源之星”(ENERGY STAR?)计算机5.0版规范,“能源之星”电视产品3.0版规范和“能源之星”外部电源2.0版规范也将于2008年11月1日生效。能效规范标准的日益普及要求所有操作模式的电源转换具备更高的能效,其中包括降低待机(空载)能耗、提升电源工作效率、采用功率因数校正(PFC)或减少谐波。

应对电路段的能效挑战

能效规范对电路段的挑战主要体现在PFC能效、主转换器能效和次级能效几个方面。要提高这几个方面的能效,就必须改善如图1所示电路红色框中的元件性能。以下将介绍改善电路段能效的几种方法。

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图1. 改善图中红色框元件的性能就可以提升能效

1.改善PFC能效

改善PFC能效的目标是为了实现功率因数校正短的效率达到96%以上。采用无桥PFC(图2a)可以减少桥损耗,采用交错式PFC(图2b)可以满足较高功率应用的要求,以提升PFC能效。此外,还可以利用IC技术减少开关损耗,并利用更优化的拓扑结构来减少EMI滤波器损耗。

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图2a. 无桥PFC

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图2b. 交错式PFC

采用安森美半导体的NCP1605高能效待机模式PFC控制器就可以提高PFC轻载能效,进一步降低损耗。该器件采用高压电流源,外部设定固定开关频率,并可工作在DCM/CRM模式;可以在待机条件下软跳周期(Soft-SkipTM)工作;PFC就绪信号可以进行快速线路/负载瞬态补偿;谷底导通可实现过压保护和欠压保护;同时还具备输入欠压检测、平滑启动的软启动、过流限制和闩锁功能。

2. 改善主转换器段能效

要提高主转换器能效可以采用以下几种方法。一是通过降低导通阻抗(开关损耗较高)和/或减小初级峰值电流和均方根电流来降低初级导通损耗;二是考虑采用软开关技术降低开关损耗;三是通过减少整流器压降(使用低正向压降二极管或FET整流器)来降低次级损耗;四是采用更好的磁芯材料来降低磁芯损耗。表1列出了主要软开关的拓扑结构,可供设计时参考。

表1. 主要软开关拓扑结
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3. 改善次级能效

同步降压转换器是提高能效的好方案,采用DC-DC软开关技术可以进一步提升能效。安森美半导体的NCP4302同步降压控制器的满载能效比肖特基二极管高2.5%;而NCP4331后稳压器则比传统磁放大器的能效高7%,都可以为次级能效的提升做出贡献。

安森美半导体的高能效参考设计

为了提高能效,安森美半导体提供了几种典型参考设计,可以分别满足个人电脑电源能效趋势以及提升液晶电视能效等方面的要求。

个人电脑电源参考设计

个人电脑电源能效趋势要求符合80 PLUS规范,这要比68%能效的半桥和73%的双开关正激方案分别高出12%和7%。安森美半导体的80 PLUS Silver等级GreenPointTM ATX参考设计(图3)还要高出约5%。其所有负载点均可保证符合80 PLUS Silver能效要求,适用于全球各个市场。

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图3. 安森美半导体的80 PLUS Silver等级GreenPointTM ATX参考设计

220 W液晶电视参考设计

将于2008年11月生效的“能源之星”电视产品3.0版规范旨在提升液晶电视的能效。为此,面板供应商需要改善面板,提供更高的屏幕能效,在提供同等光输出的情况下减少灯的使用,并降低能耗。如今的待机能耗已低于1 W,很快将低于0.3 W,甚至可能低于0.1 W。

安森美半导体的220 W GreenPointTM液晶电视参考设计(图4)采用半桥LLC谐振拓扑结构,高效而紧凑。其功率因数符合IEC 61000-3-2规范要求;纤薄及高能效,η>88%@ Vin=110 VAC;低待机能耗,Pin<0.9 W@ Pout=0.5 W,完全可以满足“能源之星”电视产品3.0版规范的要求。

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图4. 安森美半导体的220 W GreenPointTM液晶电视参考设计

外部电源

美国环保署外部电源1.1版和2.0版规范分别对激活模式能效标准,以及AC-AC和AC-DC外部电源激活模式能效标准做出了规定,如表2和表3所示。

表2. EPA 1.1激活模式能效标准
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表3. EPA 2.0 AC-AC和AC-DC外部电源激活模式能效标准
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在符合上述能效标准方面,与固定开关频率、固定导通时间、固定开关频率反走相比,安森美半导体的准谐振固定导通时间(QR-FOT)拓扑结构频率可变(开关频率最小时功率最高),轻载能效最佳,满载能效也最佳,而且电磁干扰(EMI)较小。因此,它成为了宽输出功率范围高能效的最佳选择,有助于降低待机能耗、优化工作效率和电磁干扰。

此外,安森美半导体还推出了非凡系列固定频率PWM控制器,可以用于外部电源。它采用高压电流源,内置输入欠压检测和主电源过压保护。并且,还在轻载跳周期模式下降低频率,具有可调节的过功率保护功能。经典系列准谐振PWM控制器可在谷底开关工作,具有谷底锁定功能,也能在轻载和跳周期模式下降低频率且具有可调节的过功率保护功能。

总结

计算机电源、平板电视、适配器电源所面对的能效挑战越来越严苛,并且变得更加紧迫。作为完整的解决方案提供商,安森美半导体不断开发新技术应对更大的挑战,为制造商提供可提高电源工作效率、降低待机能耗的高能效电源方案。

安森美半导体的电源解决方案设计符合全球不断演进的能效规范要求(能源之星、欧洲COC、美国加州能源委员会(CEC)、中国中标认证中心,以及其他国际机构,如澳大利亚AGO、韩国e-Standby计划、日本Top Runner计划和Eco Mark计划)。正是这一切为安森美半导体赢得了节电王的美誉。
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (10/4/2008)
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