高效電源管理技術(shù)助力節(jié)能環(huán)保(圖)

當(dāng)今社會(huì)，能源危機(jī)和環(huán)境污染已經(jīng)成為世界各國共同面臨的兩大難題。隨著人們環(huán)保和節(jié)能意識(shí)的增加，低功耗設(shè)計(jì)越來越受到廠商、消費(fèi)者和各國政府的關(guān)注，高能效的電源設(shè)計(jì)將成為市場(chǎng)的主導(dǎo)。并且，電源設(shè)計(jì)周期加快、低待機(jī)能耗、高能效以及減少占位面積的要求正在改變傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)方法，推動(dòng)電源管理設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。無論是客觀環(huán)境，還是人們的主觀意識(shí)上，“環(huán)保節(jié)能型”設(shè)計(jì)已是電源管理市場(chǎng)發(fā)展的大趨勢(shì)。
　　
“環(huán)保節(jié)能型”設(shè)計(jì)的需求在給半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)帶來巨大機(jī)遇的同時(shí)，也帶來了重大挑戰(zhàn)。在滿足政府及相關(guān)組織提出的節(jié)能環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的同時(shí)，半導(dǎo)體企業(yè)還必須考慮消費(fèi)者的特定需求。作為業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的電源半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商，安森美半導(dǎo)體擁有專業(yè)的設(shè)計(jì)隊(duì)伍及高效的供應(yīng)鏈流程，一直致力于研發(fā)并提供高效的符合環(huán)保要求的電源管理方案，在成功應(yīng)對(duì)電源管理市場(chǎng)挑戰(zhàn)的同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)環(huán)保和節(jié)能提供卓越的解決方案。

高效率、高集成帶來的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

今天的電源管理市場(chǎng)正處在劇烈變革之中，電源規(guī)范的采用已經(jīng)越來越普遍，要求電源轉(zhuǎn)換器在各種運(yùn)作模式下都必須提供更高的效率，例如小于1W的待機(jī)能耗要求，以及美國加州能源委員會(huì)（CEC）和美國能源之星（ENERGY STAR）要求外接電源能效大于80％的規(guī)定。降低諧波的要求也促進(jìn)了功率因數(shù)校正（PFC）前端的引入，IEC 1000-3-2已經(jīng)成為歐盟與日本的強(qiáng)制性規(guī)定，獲得了許多國家的自愿采用。由于終端用戶希望能夠在更小尺寸的封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的功能，因此系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷增加，功率密度要求也越來越高。消費(fèi)類產(chǎn)品市場(chǎng)變幻莫測(cè)，更快產(chǎn)品上市時(shí)間的要求采用簡化電路的設(shè)計(jì)。
　　
此外，雖然RoHS指令已經(jīng)在2006年7月1日實(shí)施，迄今為止還沒有區(qū)分元器件是否含有某些物質(zhì)的通用標(biāo)準(zhǔn)。今年3月，中國《電子信息產(chǎn)品污染控制管理辦法》標(biāo)志著中國RoHS開始全面實(shí)施，以推動(dòng)中國的綠色制造產(chǎn)業(yè)。

中國電源管理市場(chǎng)的挑戰(zhàn)和機(jī)遇

除了需要面對(duì)上述挑戰(zhàn)，整個(gè)行業(yè)還必須迎接電源技術(shù)拐點(diǎn)的挑戰(zhàn)。電源管理方案的復(fù)雜程度正在不斷提高，因此總有一天目前的解決方案將無法滿足對(duì)電源管理的要求。以PC為例，一方面CPU頻率正在節(jié)節(jié)上升，另一方面，電流不斷增加和電壓卻在不斷下降。而可供選擇的其他方案，無論是風(fēng)扇還是液態(tài)冷卻，都會(huì)使成本大幅度上升，還會(huì)降低效率。CPU功耗的提升也使電源管理方案變得越來越昂貴。PC、手機(jī)、筆記本電腦、便攜式播放器及其他平臺(tái)上的情況也大致如此。
　　
未來幾年，模擬產(chǎn)品領(lǐng)域的主要增長動(dòng)力將體現(xiàn)在各種穩(wěn)壓器、PC主板用電源IC、模擬開關(guān)、80%以上的能效電源轉(zhuǎn)換解決方案和高頻運(yùn)算放大器等。但是，以上所有因素的推動(dòng)力越強(qiáng)，采用傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來滿足系統(tǒng)要求的可行性就越低；設(shè)計(jì)工程師需要面對(duì)更快上市時(shí)間的要求，因此無法利用一些新興方法所帶來的好處。
　　
幸運(yùn)的是，業(yè)界有像安森美半導(dǎo)體這樣的致力于電源管理模擬器件和分立器件的半導(dǎo)體廠商。他們可以為PC、筆記本電腦、游戲機(jī)和手機(jī)等高增長數(shù)字消費(fèi)電子產(chǎn)品提供最佳系統(tǒng)效率和完整的電源管理解決方案。這也為OEM廠商提供了開發(fā)高電源能效、低待機(jī)能耗、符合世界各地節(jié)能環(huán)保規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)滿足今天和未來消費(fèi)電子產(chǎn)品的高能效電源要求。

安森美半導(dǎo)體領(lǐng)先的電源管理技術(shù)

作為中標(biāo)認(rèn)證中心授予“中國節(jié)能認(rèn)證合作伙伴”的芯片廠商，安森美半導(dǎo)體在開發(fā)產(chǎn)品技術(shù)方面一向以節(jié)能降耗、提高電源能效為己任。公司開發(fā)適用于大多數(shù)高增長數(shù)字消費(fèi)電子產(chǎn)品的完整的電源解決方案。
　　
到目前為止，該公司已經(jīng)推出了多款GreenPoint高效電源解決方案參考設(shè)計(jì)，分別適用于符合80 PLUS的ATX電源、CRT電視機(jī)電源、液晶電視電源、筆記本電腦和顯示器電源、臺(tái)式打印機(jī)和游戲機(jī)電源。為了實(shí)現(xiàn)高效的電源管理，安森美半導(dǎo)體不斷開發(fā)涵蓋所有電源能效領(lǐng)域的解決方案，其主攻的三個(gè)領(lǐng)域是：消耗最多電能的工作狀態(tài)的器件能效、閑置（大多數(shù)時(shí)間）時(shí)的器件待機(jī)能耗，以及提高電網(wǎng)效率的PFC技術(shù)。
　　
（一）reenPoint解決方案

CRT電視機(jī)和平板液晶電視機(jī)電源GreenPoint參考設(shè)計(jì)能夠提供低于1W的待機(jī)能耗，包括了電源的所有功能模塊，符合低待機(jī)能耗的國際標(biāo)準(zhǔn)。用于液晶電視和顯示器、筆記本電腦和其他消費(fèi)電子產(chǎn)品的60 W電源適配器參考設(shè)計(jì)不僅可滿足待機(jī)和工作模式能效規(guī)范，簡化繁復(fù)的設(shè)計(jì)，而且是高性價(jià)比的解決方案。它包括電源適配器的所有功能模塊，可實(shí)現(xiàn)低待機(jī)能耗，且符合CEC、美國能源之星及歐洲COC（Code of Conduct）的要求。該設(shè)計(jì)可提供88%的能效，在待機(jī)模式下功耗小于250mW，進(jìn)一步節(jié)省電能（適配器大多數(shù)時(shí)間均處于待機(jī)模式），而目前大多數(shù)60W適配器的待機(jī)能耗均為750mW。

近期推出的300W GreenPoint ATX電源參考設(shè)計(jì)在高電壓輸入時(shí)可以達(dá)到86.5%的滿載高能效，不僅遠(yuǎn)高于市場(chǎng)上常見ATX電源70%的能效，更高于“80 PLUS”計(jì)劃要求，更接近計(jì)算產(chǎn)業(yè)氣候拯救行動(dòng)(CSCI)組織提出的到2011年實(shí)現(xiàn)滿載下87%能效的要求。

用于臺(tái)式打印機(jī)的40W電源GreenPoint參考設(shè)計(jì)（圖1），有助于工程師快速推出能夠提供低動(dòng)態(tài)功耗與低待機(jī)能耗的電源適配器。在輸出功率介于5～40W時(shí)，該參考設(shè)計(jì)可以提供超過83%的工作模式電源效率，在空載時(shí)更可達(dá)到小于150mW的待機(jī)能耗，目前常用的40W打印機(jī)在相似情況下的功耗為450mW。該設(shè)計(jì)采用的頻率回走技術(shù)可以使電源在輕載情況下保持高能效，例如當(dāng)輸出功率在0.5～2W時(shí)，能效會(huì)在66%到79%間變化，這些特性使這個(gè)GreenPoint參考設(shè)計(jì)能夠符合從能源之星到歐洲高能效電器組織（GEEA），以及美國1W待機(jī)能耗總統(tǒng)令和日本Eco標(biāo)章計(jì)劃的最嚴(yán)苛要求。

圖1 安森美半導(dǎo)體40W打印機(jī)電源GreenPoint參考設(shè)計(jì)

新推出的40W參考設(shè)計(jì)可以在瞬間達(dá)到80W的峰值輸出，這項(xiàng)功能特別適合打印機(jī)應(yīng)用，還可在整個(gè)88到265V交流輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)低于100W的功率過載保護(hù)，以符合限制電源（LPS）測(cè)試。此外，該設(shè)計(jì)使用比具備相似能效的40W電源適配器中更小的大容量電容，可有效節(jié)省電路板空間和整體系統(tǒng)成本。
　　
這個(gè)參考設(shè)計(jì)的關(guān)鍵器件是NCP1351，這是一款針對(duì)低功耗離線反激開關(guān)電源（SMPS）設(shè)計(jì)的電流模式控制器。它采用固定峰值電流技術(shù)（固定Ton），可以在負(fù)載變低時(shí)降低開關(guān)頻率。因此，采用NCP1351的電源自然可以提供卓越的待機(jī)（空載）能耗，同時(shí)也能夠在其他負(fù)載情況下達(dá)到最佳的能效表現(xiàn)。當(dāng)頻率下降時(shí)，峰值電流會(huì)逐漸降低到最大峰值的約30%，以避免變壓器發(fā)生機(jī)械振蕩，因此可以大幅度降低發(fā)生可聽見噪聲的風(fēng)險(xiǎn)，并保持良好的待機(jī)能耗表現(xiàn)。
　　
外部可調(diào)整定時(shí)器可不斷檢測(cè)反饋動(dòng)作，并在短路或過載時(shí)提供電源保護(hù)。在定時(shí)器超時(shí)時(shí)，NCP1351A和NCP1351C可停止開關(guān)動(dòng)作并保持在鎖定狀態(tài)；NCP1351B和NCP1351D則會(huì)嘗試重新啟動(dòng)，NCP1351C和NCP1351D具有雙過電流保護(hù)，更適合需要較大瞬變輸出功率如打印機(jī)的應(yīng)用；器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)具備了能夠達(dá)到最低可用啟動(dòng)電流的優(yōu)化方案，而這正是設(shè)計(jì)低待機(jī)能耗電源的關(guān)鍵參數(shù)。負(fù)電流檢測(cè)技術(shù)則可以將開關(guān)噪聲對(duì)控制器工作的影響降到最低，同時(shí)讓使用者選擇電流檢測(cè)電阻上的最高峰值電壓，對(duì)應(yīng)用的功耗進(jìn)行優(yōu)化。
　　
（二）功率因數(shù)校正解決方案

降低諧波的PFC能力可以集成在許多電源設(shè)計(jì)當(dāng)中。但是設(shè)計(jì)人員在滿足一些認(rèn)證要求及其客戶期望的成本時(shí)，通常需要面對(duì)集成合適PFC段的難度。許多新的PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元件的出現(xiàn)，有助于設(shè)計(jì)人員優(yōu)化設(shè)計(jì)以滿足給定應(yīng)用的需求，還可以最大限度地降低設(shè)計(jì)人員滿足認(rèn)證要求的難度。這種方法可以通過簡化主要功率轉(zhuǎn)換級(jí)的設(shè)計(jì)和不使用常見的波段開關(guān)和保持電容器等元件而獲得更多的好處。
　　
去年，安森美半導(dǎo)體就推出了兩款PFC控制器NCP1653和NCP1601，兩款器件是為輸入功率在75W至幾千瓦的電源設(shè)計(jì)的，適用于電視機(jī)、平板顯示器、臺(tái)式電腦和筆記本適配器開關(guān)電源、離線電池充電器，以及電冰箱、洗衣機(jī)和干衣機(jī)等白色家電中的功率因素校正應(yīng)用。
　　
今年，該公司又?jǐn)U展了四款PFC控制器，適用于照明、電源適配器、ATX電源、平板電視和其他電源應(yīng)用，可促進(jìn)符合全球新興能源效率和功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的高效電源開發(fā)。
　　
其中的NCP1605是一款強(qiáng)化型高電壓和高效率待機(jī)模式PFC制器，采用定頻(Fixed Frequency)非連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM，Discontinuous Conduction Mode）或臨界導(dǎo)電模式（CRM，Critical Conduction Mode）工作。該器件集成了構(gòu)建穩(wěn)固PFC段電路的所有功能，可以采用PFC主控端方式工作，確保電源的第二段電路只有在安全情況下才會(huì)啟動(dòng)。另外，它還集成了跳周期能力，可將待機(jī)能耗降到最低及提高輕載能效。

圖2 強(qiáng)化型高電壓和高效率待機(jī)模式PFC制器NCP1605

NCP1606是一個(gè)CRM PFC控制器，適用于電子鎮(zhèn)流器預(yù)先轉(zhuǎn)換、交流電適配器和平板電視以及其他中低功率的300W離線轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。該器件集成了可調(diào)整的過壓保護(hù)和內(nèi)置欠壓保護(hù)功能。NCP1606A和NCP1606B是完全兼容業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)器件腳位的直接替代選擇，其中NCP1606B可通過更小過壓保護(hù)電流和更低的電流檢測(cè)臨界值進(jìn)一步降低功耗。
　　
NCP1654和NCP1655是連續(xù)導(dǎo)電模式PFC控制器，可控制定頻模式的功率轉(zhuǎn)換開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，同時(shí)集成了高度安全性的保護(hù)功能，如輸入欠壓保護(hù)，可將實(shí)現(xiàn)電路所需的外部器件數(shù)降到最少。NCP1654腳位完全兼容業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)器件。
　　
以上這些可供實(shí)現(xiàn)PFC應(yīng)用的器件有助于設(shè)計(jì)人員為其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和選擇最佳的方法。易于使用的設(shè)計(jì)工具可加快設(shè)計(jì)進(jìn)度并減小設(shè)計(jì)難度。隨著能量認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)在全球的迅速推進(jìn)，PFC電路將繼續(xù)滲透進(jìn)越來越多的系統(tǒng)。

（三）標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品與IC雙管齊下

電子系統(tǒng)越來越復(fù)雜，需要包羅多樣的半導(dǎo)體器件。因此，除了上述的GreenPoint等電源解決方案，安森美半導(dǎo)體還提供標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，包括時(shí)鐘和電路保護(hù)等，有助于客戶解決與功率和系統(tǒng)有關(guān)的問題。
　　
時(shí)鐘應(yīng)用的范圍非常廣泛，而且在不斷擴(kuò)大。聯(lián)網(wǎng)/通信（基站、路由器/交換機(jī)）、消費(fèi)類/無線電子產(chǎn)品（機(jī)頂盒/DVR、數(shù)字TV/LCD、游戲、便攜式PDA/手機(jī)/媒體播放器）、計(jì)算機(jī)（筆記本/PC、服務(wù)器/工作站）等等，都離不開時(shí)鐘產(chǎn)品。安森美半導(dǎo)體可以提供多種時(shí)鐘產(chǎn)生產(chǎn)品，包括產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)及其導(dǎo)數(shù)的PLL放大器和分壓器。
　　
在高能應(yīng)用、中型能量應(yīng)用和低能/高壓應(yīng)用幾個(gè)方面，安森美半導(dǎo)體也有不同的解決方案。晶閘管TSPD是功率最高的硅芯片轉(zhuǎn)換器件，雷擊時(shí)可將最低鉗制電壓以100倍安培電流接地。這種器件正在取代大多數(shù)新型PABX和電信交換機(jī)中的GDT。TVS二極管可提供最低的鉗制電壓，且不會(huì)降低服務(wù)水準(zhǔn)，是抵御雷電及電感負(fù)載轉(zhuǎn)換引起的瞬變電壓導(dǎo)致的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、工廠自動(dòng)化設(shè)備、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)及車載電子系統(tǒng)故障的最佳選擇。電容極低的齊納二極管ESD保護(hù)器件適用于高數(shù)據(jù)速率保護(hù)，還以消費(fèi)類電子產(chǎn)品價(jià)位提供了最低箝制電壓?？梢员苊馊梭w產(chǎn)生的ESD及耦合雷電容對(duì)個(gè)人娛樂及信息系統(tǒng)產(chǎn)生損害。
　　
安森美半導(dǎo)體的NP系列TSPD可應(yīng)用電信/寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，防止復(fù)雜而敏感的IC受到瞬變電壓的威脅，有利于環(huán)境較少受控的遠(yuǎn)程設(shè)備以及密度增大的板卡的保護(hù)。
　　
今天，分立器件在不能集成的功能方面仍然起著關(guān)鍵作用，例如有效的ESD保護(hù)就不能完全集成到CMOS芯片中。安森美半導(dǎo)體的ESD二極管與多層可變電阻相比，具有更好的箝制性能、更低的泄漏和更長的使用壽命。

（四）專業(yè)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)與高效的供應(yīng)鏈管理

為了更加貼近客戶，近幾年安森美半導(dǎo)體根據(jù)客戶的不同需求相繼在世界各地建立了解決方案工程中心（SEC），幫助他們開發(fā)新產(chǎn)品，而每個(gè)SEC都有不同的焦點(diǎn)，如首爾的聚焦在無線產(chǎn)品電源方案；臺(tái)北和波特蘭的則側(cè)重計(jì)算機(jī)和電源應(yīng)用；San Jose的專注消費(fèi)類和無線。今年，該公司打算在慕尼黑、芝加哥和中國建立SEC。這些SEC為客戶提供啟匙方案，利用先進(jìn)的平臺(tái)加快客戶開發(fā)各種高性能產(chǎn)品的進(jìn)程。
　　
除了應(yīng)對(duì)工程技術(shù)方面的挑戰(zhàn)，半導(dǎo)體廠商還需要解決客戶產(chǎn)線轉(zhuǎn)移、市場(chǎng)全球化、建立新的供應(yīng)鏈體系等問題。2006年，安森美半導(dǎo)體付運(yùn)了300多億顆芯片，涉及產(chǎn)品15,000余種。如果沒有一個(gè)強(qiáng)大的物流/供應(yīng)鏈管理體系，要實(shí)現(xiàn)這樣的業(yè)績是難以想象的。安森美半導(dǎo)體已建立起一個(gè)后臺(tái)運(yùn)行且完全兼容的供應(yīng)鏈體系來解決供應(yīng)平衡的問題。即使客戶需要最新的產(chǎn)品，該公司完全可以提供不含鉛的產(chǎn)品。
　　
采用這樣的供應(yīng)鏈體系不僅可以節(jié)約運(yùn)營成本，更重要的是在對(duì)客戶的持續(xù)生產(chǎn)、增加產(chǎn)量方面可以起到積極的作用，保證為客戶想要的時(shí)間、地點(diǎn)和渠道供貨，這對(duì)中國市場(chǎng)尤其重要。
　　
總結(jié)

作為業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的廠商，安森美半導(dǎo)體領(lǐng)先的電源管理技術(shù)可幫助企業(yè)簡化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加速產(chǎn)品上市，從而提高企業(yè)自身的競爭力。更為重要的是，安森美半導(dǎo)體提供的解決方案為企業(yè)開發(fā)出高效節(jié)能、環(huán)保清潔的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。