節能環保已成為今天電源解決方案的發展主旋律

    在全球倡導節能環保、提高能效的背景下，電源|穩壓器系統正面臨前所未有的挑戰，這些挑戰來自兩個方面：一方面，環境的惡化迫使人們不得不考慮采用更加清潔的替代能源；另一方面，電子設備的迅猛發展亟需提升現有電源系統的轉換效率，在滿足政府及相關組織提出的節能環保標準和規范(如1瓦計劃、美國能源之星、80 PLUS等)的同時，還應考慮消費者的需求和成本因素。從當前的技術水平來看，改善電源轉換效率，優化不同負載條件下的功耗仍然是半導體廠商所關注的焦點。

    創新交錯式PFC結構能夠改善AC-DC轉換效率

    由于身處電源系統的最前端，AC-DC轉換器的效率和節能特性變得越來越重要。影響AC-DC轉換器效率提升的因素包括銅損耗、磁芯(磁性元件)損耗、EMI濾波器損耗和開關器件損耗等。這既牽涉到原材料本身的改進也涉及設計復雜程度和設計技巧的問題。安森美半導體汽車及電源管理部全球銷售及市場總監鄭兆雄介紹道，對此，安森美半導體的思路是針對具體功率應用需求選擇合適的工作模式，如連續導電模式(CCM)、臨界導電模式(CRM)或不連續導電模式(DCM)等，優化材料的選用并采用合適的設計技巧�；诎采繬CP1606的240W CRM PFC可以實現高于93%的效率，基于NCP1654的300W CCM PFC更可實現高于95%的效率。此外，還可以考慮采用最新的PFC結構，如無橋PFC和交錯式PFC等。安森美半導體目前已經擁有符合80 PLUS規范要求的方案，并將在今年推出能效達85%的解決方案。

    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換、同步整流等技術來進行。飛兆半導體(Fairchild)公司計算、通信和消費電子產品高級市場總監Guy Moxey解釋道，過去，運用諧振技術的最大障礙是設計和實現過于復雜。LLC技術可消除大部分的不利因素，使用飛兆半導體的FSFR2100 LLC控制器可以最少的元件實現LLC轉換器，從而降低設計復雜性，并可在多種應用中用于實現節能。

    良好的PFC設計對于提高效率大有裨益。正如德州儀器|儀表中國區高性能模擬產品業務開發經理張洪為所強調的，“采用定頻CCM的PFC通常會EMI太高，肖特基二極管的反向恢復造成的耗散太高；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年發布了2款交錯式PFC：UCC28060(臨界模式)和UCC28070(連續模式)，前者很好地解決了600W以下的PFC設計問題，后者則通過雙路交替，任意級聯無限擴充的方法，解決了600W以上乃至數千瓦應用的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，并減小熱應力和磁芯尺寸。

    對于提高AC-DC轉換效率，亞諾德半導體(ADI)公司提供了另一種解決思路：在當前大部分系統中，AC-DC轉換器并不與系統就運行狀態信息和供電方面進行通信。如果系統實時地向AC-DC轉換器發送供電需求，AC-DC轉換器可以根據信息改變運行結構或拓撲結構，即使負載在大范圍變化也能實現較高的效率。

    “通過電源的智能控制，可以實現系統與電源轉換器之間的通信�？梢詫崟r地向脈寬調制控制器發送優化的電壓與電流控制信號。系統控制器通過數字信號處理器或微控制器讀取電壓、電流、效率與溫度數據。此外，系統還可以監控供電情況�！盇DI亞太區電源管理產品總監翟至鈞說。ADI公司新推出的ADP1043數字脈寬調制(PWM)電源控制與管理器件為設計工程師提供高度集成的電路架構和靈活性，利用直觀的GUI(圖形用戶接口)可以在幾分鐘內配置系統電源參數。在終端系統實現方面，ADP1043有助于系統集成人員優化電源供電效率，同時縮短設計周期，實現智能的電源管理系統。

    Power Integrations(PI)公司市場副總裁Doug Bailey的觀點是，電源效率的提高要歸功于造成損耗的各種元件的減少。由于電容引起的開關損耗、MOSFET的傳導損耗以及輸出二極管損耗占著主導地位。采用更大的MOSFET、用于諧振的雙開關解決方案、用MOSFET代替輸出二極管都是一些很容易實現的拓撲變化，這些方法可以獲得實質性的效率改善。PI的LinkSwitch產品線通過消除二次反饋和光耦可實現提高效率和減低成本的目標。去除包括電流感測電阻和光偏置在內的耗能元件可提高系統效率并降低成本。

    DC-DC轉換的重點仍然是針對待機條件優化效率

    對于DC-DC轉換器而言，要提高其能效需要從多方面入手。例如，降低變壓器初級導通損耗、降低開關損耗、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通阻抗和/或降低初級峰值電流及均方根電流；采用軟開關技術；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現以上目標。從整體角度來看，提高DC-DC轉換器的開關頻率，可以允許使用尺寸更小的電感等外圍器件，從而節省電路板空間并降低成本。

    TI的張洪為強調，不可小視通常只有μA級大小的DC-DC待機電流，“以移動設備為例，如果能將3路DC-DC的待機電流從450μA降到45μA，待機時間就會延長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，實現了靜態電流的最小化。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現很高的效率，而且對負載的瞬變反應非�？欤軌驖M足最苛刻的電信級需求。

    在手機等便攜式應用中，大多數穩壓器都是在給處于待機或睡眠模式的負載(微處理器)供電。這時，系統無法受益于轉換器的高效率(有90%的時間處于輕載狀態)。為克服這個兩難的問題，飛思卡爾公司發明了獨特的Z-factor技術，在輕載時也能提供很高的效率(85%以上)。該技術在輕載時使用了脈沖跳頻技術，而輸出紋波非常低，使得從PFM到PWM的轉換非常平滑�！霸谶x購DC-DC轉換器時，一定要注意能否在整個負載范圍內保持高效率”，飛思卡爾半導體中國及東南亞地區模擬產品市場營銷經理Norman Chan指出。

    由于大部分DC-DC轉換器的損耗來自開關晶體管(對于低壓DC-DC，這里指的是MOSFET)。飛兆半導體現有的MOSFET已具有低RDSON和低柵電荷的特性。在轉換器中，滿載條件下低端同步FET是最大的損耗產生源(由I2 × RDSON決定)。因此，RDSON越小，損耗就越低，可實現的效率也越高。而在輕載條件下，高端器件的開關損耗占據主導，因此飛兆半導體開發了具有更低開關損耗的FET技術。

    美國國家半導體(NSC)亞太區電源管理產品市場營銷經理吳志民指出，電路拓撲的改進對于效率提高只有增效作用。他認為更好的方法是從總體上考慮系統電源要求。在Powerwise AVS(自適應電壓調整)等數字電源技術的幫助下，可以通過自動調整供電電壓來適應不同的工作條件，從而優化總體系統效率。

    不過，數字電源和模擬電源在靈活性和成本方面各有其優勢。安森美半導體的鄭兆雄表示，數字電源可為系統和板上IC功能性提供一定的靈活性，但數字電源目前只適用于細分的利基應用，因為解決方案成本仍然很高。TI則認為，數字電源在較大功率、較復雜輸出響應或者可變輸出響應等方面有很大的優勢，但在中小功率，通用性較大的產品以及便攜式產品中暫時不會有較大突破。飛思卡爾的Norman Chan對此亦有認同，“對于較復雜的系統和大功率應用而言，數字電源可利用更多的智能來幫助整個系統節省所用功率，此外，有些數字控制方案可用來減少在高開關頻率轉換器中日益增大的開關損耗�！�

    可驅動多達96個白光led的驅動器即將問世

    發光效率高、使用壽命長使得LED技術能夠很好地適應節能環保規范的要求。除了通過改進半導體材料及其工藝技術來提高LED性能外，半導體廠商也正在開發更高效率、更高集成度、更小封裝和更大電流的LED驅動器。

    升壓型LED驅動器的效率在很大程度上取決于被驅動的LED數以及所需的LED電流。NSC的吳志民說道，“通常，我們的驅動器可以達到80%以上的效率。為進一步提升效率，諸如LM3430+LM3432和LM3431這樣的大面板LED背光解決方案還具有動態余量特性。經升壓后的電壓可自我調整到僅夠驅動串聯LED的大小，這樣就能使驅動LED的恒流源功耗保持最低水平。”除了考慮驅動器效率，還需要關注器件的輸出紋波、負載和線性調整率、開關頻率等參數。

    目前大多數用于背光驅動的DC-DC升壓轉換器效率在80至90%的范圍內。飛思卡爾公司采用獨有的SMARTMOS技術和IP設計可以達到90%的效率，其器件在單個芯片中集成了DC-DC升壓轉換器和LED驅動器，因此有可能在點亮所有LED的同時獲得最高的效率。凌力爾特(Linear)公司的LED驅動器大多能夠提供約95%的轉換效率。其中，多拓撲結構大電流LED驅動器LT3755能夠以93%的效率(在升壓模式中)驅動一個高達50W的LED串。

    據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驅動芯片，針對7至15英寸大小的顯示應用開發。它可以在輸入電壓在4.5至28V時驅動最多6串(每串12個)，總共72個LED。通過采用串電流控制電路，各個串之間的電流偏離值不會超過3%，因此可確保所有LED都能夠達到同樣的亮度。方樂章透露，公司最新開發的PAM2848器件將能夠驅動多達96個LED。

    對手機等便攜設備的電池壽命而言，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，顯示屏|顯示器件尺寸和背光LED數量都有所增加，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，調光控制是一種保持較低平均功耗的有效方法。但在一個高效的設計中，調光控制算法的調光電流電平設置和占空比控制等方面都非常復雜。在某些情況下，基帶處理器沒有足夠的資源來實現調光控制。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行通信的能力，可以解決這個問題。

    突發模式技術將待機靜態電流減小至10μA

    待機能耗包括兩個因素，一是電源空載時的能耗，二是系統輕載時的能耗。安森美半導體在降低待機能耗方面擁有許多技術和解決方案，如高壓啟動和動態自供電、跳周期、軟跳周期、頻率回走以及準諧振技術等。準諧振開關能力可以降低能耗，并減少所需的元器件數量。安森美半導體的NCP1207準諧振控制器與現有的固定頻率控制器相比，具有更高的能效，并能夠降低待機能耗。NCP1207能將100W電視機電源的待機功耗降到低于1W水平，符合最新的能效規范要求。

    NSC最新推出的LM20000系列產品由一系列同步整流降壓穩壓器組成。除了提供滿載時的高效率特性外，這些穩壓器支持輕載時的非連續導通操作。如果負載進一步被降低到低于四分之一瓦，則這些IC將開始進入跨周期工作狀態。由LM20000系列供電的產品可以利用這些多級節能待機特性輕松滿足待機功率的要求。

    凌力爾特擁有兼具高轉換效率和低靜態電流的電源管理IC，在其許多電源管理IC中都采用了Burst Mode(突發模式)技術。這種方法最大限度地減小了IC本身在待機模式期間所需的電流。在許多應用中，該待機靜態電流低至10至20μA。

    PI公司正在生產的適配器解決方案也具有很高的性價比，在空載模式下只需30mW。該數字比能源之星2.0和EuP標準(300mW)還要低10倍。

    “我們可以在產品中使用各種方案、IP和技術來降低正常工作或待機模式時的功耗”，Norman Chan談到，首先，飛思卡爾公司的SMARTMOS硅片工藝可以實現很低的漏電流和基底電流，以至靜態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的導通電阻非常低，從而能夠確保由于熱效應和寄生加載引起的功率浪費被減小到最低。最后，從設計的角度看，不管是硅片級還是電路板級，通過節能技術和優良的功能可以在各種系統工作模式下實現最小的功耗，同時不會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對環境產生的影響較小，并且來自較潔凈和自然的資源，它們包括燃料電池、風能、太陽能、水力、地熱、潮汐等等。

    安森美半導體的鄭兆雄指出，在所有的綠色電源技術中，太陽能電池技術備受矚目。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備都處于停產狀態，而且不斷上漲的硅價格也使得太陽能電池商用的挑戰加大。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。

    無獨有偶，德州儀器(TI)也十分看好太陽能的發展前景�！疤柲茈姵厥悄壳鞍l展最快的綠色能源”，張洪為表示，開發太陽能電池的關鍵在于提高效率以及降低制造成本。目前興起的有機薄膜太陽能電池技術能大大提高轉換效率，此外，能夠最大限度汲取太陽能電能的直流轉換技術也不可忽視，TI推出的DC-DC升壓轉換器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備中的應用，可在不足0.3V的輸入電壓下高效工作，啟動電壓也僅為0.5V。

    除了太陽能系統需要將太陽能轉換為電能，風力發電、水利電氣或其它系統都需要將這些綠色能源轉換成電能。凌力爾特電源產品部產品市場經理Tony Armstrong表示，“凌力爾特在DC-DC功率轉換技術方面具有優勢，許多用于獲得新型能源并將其轉換成電能的系統都將采用我們的產品。”

    燃料電池是可用于電池供電設備的一種先進技術。由于這些電池無需重復充電，只要提供氫燃料就能提供充足的電能和熱量，因此非常適應環保要求。事實上，業界正在競相生產適合便攜式設備(如射頻識別RFID)使用的燃料電池，并不斷推進其商用化。Norman Chan透露，飛思卡爾正在研發與這種綠色能源有關的電源管理器件。

    他還談到，目前的發展趨勢是盡可能地提高燃料或能量效率并減小能源浪費。從IC的角度看，產品需要在低功耗和低耗散方面進行改善。針對這一需求，飛思卡爾推出了具有低導通電阻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類和醫療設備市場中對電能消耗較敏感的產品使用。

    不過，安森美半導體的鄭兆雄也表示，燃料電池和太陽能電池等都屬于下一代的電源技術，目前還在探索階段，無法實現大規模、成本適宜的商用。鄭兆雄指出，在新一代電源技術大規模商用就緒之前，安森美半導體充分利用現有技術進行創新，開發出GreenPoint電源解決方案來提升電源工作效率、降低待機能耗及改善功率因數，以整體性的方法來節省及降低能耗。PAM公司首席科學家茅于海教授補充說，當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%)，且價格昂貴。如果太陽能的轉換效率能夠提高到30%，同時進一步降低成本，那么就有可能大范圍地推廣應用。