高效節(jié)能技術應對更嚴格電源能效規(guī)范要求

　　隨著人們節(jié)能環(huán)保意識的不斷增強，計算機、照明、消費電子、電源適配器和家電等領域越來越多地出現(xiàn)了更嚴苛能效法規(guī)的限制。以在全球擁有廣泛影響力的美國“能源之星”項目為例，新的1.0版固態(tài)照明(SSL)規(guī)范已從2008年10月1日開始實施，2.0版適配器/外部電源規(guī)范和3.0版電視規(guī)范也于同年11月1日開始實施，而2.0版的機頂盒(STB)規(guī)范也于2009年1月1日生效。

　　這些能效規(guī)范在工作能效、待機能耗及功率因數(shù)方面提出了比此前版本更高的要求。如2.0版適配器規(guī)范的工作能效(以大于49 W輸出功率為例)要求是不低于87%，而此前的1.1版要求為不低于84%。另外，3.0版電視機規(guī)范的待機能耗要求為不超過1 W，后續(xù)規(guī)范則可能進一步降低不超過0.3 W甚至是0.1 W。

　　這些更趨嚴格的能效規(guī)范為電源設計人員帶來了更棘手的節(jié)能挑戰(zhàn)。安森美半導體身為全球領先的高性能、高能效硅方案供應商，在以高效節(jié)能技術應對更嚴格電源能效規(guī)范方面擁有獨特的優(yōu)勢，提供高能效的整體電源方案，可幫助設計人員同時實現(xiàn)降低電源待機能耗、提升工作能效及應用功率因數(shù)校正(PFC)。

　　優(yōu)化PFC控制模式，結合PFC與主轉換器

　　包括計算機電源、外部適配器在內(nèi)的許多應用的能效規(guī)范都包含功率因數(shù)要求，如功率大于75 W的個人計算機、電視和顯示器強制要求應用PFC。安森美半導體整體方案的一個重要組成部分，就在功率因數(shù)校正方面致力于將PFC與主轉換器結合，并優(yōu)化指定應用和功率電平的PFC控制模式。

　　而根據(jù)電流特性的不同，常見的PFC工作模式有非連續(xù)導電模式(DCM)、臨界導電模式(CrM)、連續(xù)導電模式(CCM)以及頻率鉗位臨界導電模式(FCCrM)等，其特征也各不相同。

　　表1：針對不同輸出功率等級及應用的安森美半導體PFC控制器。

　　安森美半導體提供豐富PFC控制器選擇，如NCP1601/5/6/7/8、NCP1631、NCP1650/1/2/3/4等，涵蓋上述不同工作模式，優(yōu)化用于不同功率的應用，見表1。如NCP1606/7/8采用CrM工作模式，適合于功率通常低于300 W的中等功率應用，如電子鎮(zhèn)流器、液晶電視、等離子電視、臺式計算機和交流適配器等。最新推出的NCP1654均工作在CCM模式，適用于功率大于200 W以上的場合。NCP1654的前身NCP1653推出幾年來已經(jīng)獲得了極大的成功，廣泛應用于臺式計算機，開放式電源等領域。特別是在液晶電視和等離子電視中更是占據(jù)了絕大多數(shù)的市場份額。

　　與此同時，安森美半導體還開發(fā)了較新的PFC架構，如將PFC段與脈寬調制(PWM)主轉換器段結合在一起，推出單段式的PFC控制器。實際上，NCP1651及NCP1652就是這種架構的典型產(chǎn)品。這種單段式PFC減少控制IC、電感和MOSFET的使用數(shù)量，幫助提升能效及顯著降低成本。NCP1652單級PFC采用反激式拓撲結構，既可以工作在CCM，也可以工作在DCM，結構簡單且成本優(yōu)勢明顯，特別適合于25 W至150 W功率范圍的應用，包括大電流電池充電器、分布式電源系統(tǒng)前端和大功率固態(tài)照明(SSL) 等。采用CCM工作模式時，NCP1652幫助提供極優(yōu)的功率因數(shù)，同時限制峰值初級電流。

　　安森美半導體還積極開發(fā)交錯式PFC等新穎的PFC控制技術及FCCrM工作模式的單芯片交錯式PFC控制器――NCP1631。這種交錯式PFC更易于設計，便于采用模塊化的方案，并簡化電磁干擾(EMI)濾波，特別是采用兩個較小PFC 的設計能夠支持厚度低至10 mm的超薄型液晶電視設計，在完整功率范圍下提供極優(yōu)能效，見圖1。

　　采用更好器件及拓撲結構，提升電源工作能效

　　除了PFC方面的努力，安森美半導體還在開關控制器方面采用頻率反走、同步整流，以及軟開關(包括準諧振、完全諧振、有源鉗位(反激或正激))等拓撲結構，同時采用好的場效應管(FET)和二極管，以提升電源方案工作效率。

　　表2：NCP1379/80控制器提供高工作能效及低輕載和待機能耗。

　　其中，就交流-直流(AC-DC)離線式開關電源控制器而言，安森美半導體提供帶高壓啟動電路及不帶高壓啟動電路的多種選擇，如NCP1237/8、NCP1287/8、NCP1379、NCP1380、NCP1252、NCP1351、NCP1395/6/7等。以NCP1379/80為例，這兩款器件是高性能的準諧振(QR)控制器，帶谷底鎖定功能，支持谷底轉換，在寬范圍條件下提供優(yōu)異的工作能效(見表2a)，并大幅降低噪聲，適合用于筆記本、LCD顯示器和游戲機的交流-直流適配器，平板電視的輔助電源，以及DVD和機頂盒等消費類應用。

　　而除了主開關控制器，安森美半導體規(guī)劃推出一系列新的高壓功率MOSFET完善電源解決方案，如NDFxxN60Z等。這些MOSFET采用的先進封裝技術，包括2009年內(nèi)推出的DPAK表面貼裝(SMT)封裝和TO220FP、TO-220穿孔封裝，以及在2010年推出D2PAK、SOT-223等表面貼裝封裝，及I2PAK、TO-30、IPAK及TO-92等穿孔型封裝。此外，安森美半導體還擁有豐富的整流器產(chǎn)品，產(chǎn)品除了涵蓋適配器、ATX電源、液晶電視電源等電源市場，還包括動力系統(tǒng)、安全及控制、舒適及便利、車身電子等汽車市場。

　　新的綠色節(jié)能技術研究

　　安森美半導體身為全球領先的高性能、高能效硅方案供應商，除了以現(xiàn)有產(chǎn)品和技術幫助客戶構建高能效的整體電源方案，還持續(xù)推動新的綠色節(jié)能技術研究，幫助后續(xù)能效規(guī)范的更高要求及客戶的更高期望。

　　例如，在提升PFC能效方面，除了交錯式PFC等新穎技術，安森美半導體還對無橋PFC方案進行了研究。這種PFC架構旨在去掉二極管整流橋，減少整流過程中的功率損耗，大幅提升PFC能效。安森美半導體基于這種架構開發(fā)了800 W PFC 段的原型。這原型采用NCP1653 PFC 控制器及MC33152 MOSFET 驅動器。經(jīng)測試，這原型在90 Vrms、滿載、無風扇(機箱打開，室溫)條件下的能效達94%，而在100 Vrms 時達95%。在20%負載時能效更接近或超過96%。這種無橋PFC 架構將是適合大功率應用的一種極高能效的解決方案。

　　圖2：用于提升PWM能效的新的交錯式LLC拓撲結構示意圖。

　　其次，在提升主轉換器的PWM能效方面，安森美半導體除了繼續(xù)開發(fā)有源鉗位正激(ACF)、半橋諧振(LLC)等軟開關拓撲結構，還在開發(fā)新的交錯式LLC(ILLC)拓撲結構，用于更大功率的應用。在需要輸出大電流(如大于15 A)和/或低厚度設計時，ILLC可用于提供極高能效，且大幅減小次級電容紋波電流。能夠基于NCP1395/6控制器，增加除法邏輯及2個半橋驅動器NCP5106，構建ILLC控制單元。評估板測試結果顯示，這種拓撲結構在相位2輕載關閉時，能夠保持高于95%的極高能效。安森美半導體還積極開發(fā)新型次級同步整流技術，如NCP4303A/B通用同步整流控制器具有外部可調節(jié)最短導通及關閉時間等特性，優(yōu)化使用開關周期，提供高能效。

　　高能效參考設計加快“綠色”電源上市

　　安森美半導體為了幫助客戶縮短開發(fā)周期并加快產(chǎn)品上市，還推出多種GreenPoint®電源參考設計，如極高能效的255 W計算機ATX電源參考設計、220 W高壓LIPS液晶電視電源參考設計等。這些公開參考設計中提供的文檔包括功能框圖和全部示意圖、物料單(BOM)、電路板布線圖、設計描述、性能測試結果，以及源自第三方測試的性能驗證。

　　總結：

　　計算、消費、照明及適配器等領域涌現(xiàn)了越來越多的更趨嚴格的電源能效規(guī)范標準，為設計人員帶來了重要挑戰(zhàn)。安森美半導體身為全球領先的高性能、高能效硅方案供應商，不斷推出各種新穎的關鍵控制器件、MOSFET和整流器產(chǎn)品，同時持續(xù)開展綠色節(jié)能技術研究，以一種整體的方式幫助客戶同時改善功率因數(shù)、提升工作能效及降低待機能耗，并提供經(jīng)過測試證實具有極高能效、符合80 PLUS和“能源之星”等規(guī)范要求的高能效GreenPoint®電源參考設計，幫助客戶縮短設計周期，加快產(chǎn)品上市進程。