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电源节能法规与电源设计趋势

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标签: 电源

电源

电源节能法规与电源设计趋势

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电源篇节½法规鞭策电源设计,IC 方案上演性½竞赛
½者:赵娟、周志明
本文探讨在全球节½趋势下的电源节½法规,同时介绍一些在提高电源效率和缩小待
机功耗方面的技术趋势和解决方案。
在中½电子整机企业推进绿色采购、绿色制造和绿色设计以迎接
RoHS
等环保指令挑战的过程中,
包括中½在内的世界多½出台了要求更趋严格的节½法规,½得中½企业在设计“绿色电源”、进行节
½降耗方面面临着更大的压力。特别是随着越来越多的中½产品出口海外,满足欧美等地的电源规范标
准变得愈加重要,电子设备制造厂商除了需要更注重产品的种种新的特色功½,还需要更加关注产品的
电源管理和节½特色。与此相应的,各种节电技术不断涌现,更高性½的
IC
解决方案纷纷问世,从而
½中½厂商采用½够满足苛刻法规要求的绿色电源成为可½。
全球节½,法规先行
为了并推广高效率节½产品,并方便消费者区分,全球多个½家和地区纷纷发布了各种节½规范,
例如“½源之星”认证项目、美½加州½源委员会(CEC)、欧盟行为准则、欧洲高½效电器组织(GEEA),
均把节½放在环保的重要一环。欧洲今年开始执行由
GEEA
发出的½源标签,中½在
2006
3
月实½的
节½评价值指标为待机½耗
3W,½效指数为 1.1;2009
3
1
日实½的节½评价值为待机½耗
1W,
½效指数为
0.75。
对于上述全球的各种节½法规,Power
Integrations(PI)公司市场部副总裁 Doug Bailey
认为目前
有两种方式定义½源效率标准:1)规定电源效率;2)规定固定功½所允许的总功耗。
1)规定电源效率--这种方式一般用于易于测量的外部电源。通过测量输入功率和输出功率,来计
算从
AC
½换到½压
DC
过程中功率的损失值。
今年
7
1
日开始强制实½的
CEC
规范就是一个很½的例
子。这种标准非常有用,因为不管向什么设备供电½可以规定供给效率。½这种标准的弱点是功率仍可
½被电子设备所浪费。
2)总功耗预算法最适合固定性½设备的应用。许多公司½制造类似产品,例如一个 17
寸的电脑显
示器或者一台
DVD
播放器,它们的工½方法实质大½相同。因此,制定规范的人认为这种定义方式½限
制½量½用,有助于嘉奖最高效的设计或者惩戒最½效的设计。这些标准为设计工程师提供了最灵活的
设计空间,因为它可以选择设备满足效率标准的方式。设计师可以½用一个更有效的电源或者可以减少
某些性½,增加一个电源管理芯片,或者½用一个效率更高的
CPU,或者做出其它方面的权衡取舍。
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积极制定和推广产品½源效率标准、开展节½产品认证是提高½源利用效率的有效途径。各种环保
和节½政策给中½的电子制造商带来了挑战和压力,½同时也促½了电源产品向更节½的方向蓬勃发
展。
节½法规与环保趋势,共同推动电源向更高效发展
为了设计出更节电的系统,飞兆公司应用工程师
Carl Walding
建议,在开始设计前,设计师应该
从全局出发、仔细研究如½进行功率划分,并决定应½采取什么步骤。这些研究应该包含成本和性½之
间的权衡取舍。
具½对于节½电源的设计,不论是外部电源,还是设备内部电源电路,业界公认应该从两个方面着
手考虑:首先,它必须拥有非常高的½换效率;其次,无论是在待机模式还是在停机模式中,它½必须
具有½静态电流。“这两方面需求特性多年前就在电池供电的手持式设备领域中得到人们的认识。”凌
特公司电源产品部产品市场经理
Tony Armstrong
指出,“然而,在电信和½络系统以及各种家电中,
兼具高½换效率和½静态电流的
IC
才开始普及。”
面对节电设计挑战,业界在以下三方面进行了不懈的努力。
1.采用多种技术,显著提升开关电源½换效率
铜、铁和人力成本的增加,外加世界各地的功率标准,线性电源生存处境变得艰难。于是曾出现一
次巨大的飞跃--线性电源向开关模式电源的½换,电源平均效率从
50%提高到 80%。之后,由于开关
电源自身的开关损耗,进一步的效率提升变得困难。目前,业界通过努力开发更复杂的控制算法,½系
统在应对不同环境时改变运行模式,将效率提升到
90%以上。½然,这其中也在传统模拟电源系统中引
入了更多的数字电路技术。
在提高电源工½效率方面,业界广泛利用有源钳½、同步整流、谐振模式等拓扑结构,一些新的设
计思路及解决方案由此产生。例如安森美将有源钳½用于主电源½换电路中,用有源钳½电路取代传统
的复½线圈来执行变压器的复½动½。
其产品
NCP1280
NCP1562
有源钳½电路控制器具有的½开关½
力及其它独特性½,提高了功率段的效率。
过去同步整流技术大多是用在电信交换机等高功率大型设备的电源上,½近年来随着一般
PC
或消
费电子产品对½电压、大电流需求不断升高,业内纷纷舍弃功耗较大的肖特基二极管整流,改用同步整
MOSFET
以降½功耗。½在
100W
300W
的反击电路中,由于同步整流
MOSFET
的极性½换感应需要很
高的反向电流,传统的变压器控制电路复杂、笨重、还浪费½量。针对此问题,½际整流器(IR)公司的
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智½整流
IC IR1167
½直接感测同步整流
MOSFET
的电压门限值,实现了快速准确的控制,½功耗降至
最½。另外,该
IC
还½提升
1%的整½系统效率,把 MOSFET
温升减少
10
度。
准谐振技术是提升电源效率、减小由经典反激电源产生
EMI
的良½解决方案。UCC28600 是
TI
公司
一款
8
引脚准谐振控制器,½够显著提升消费类电子系统与
AC
电源适配器的½量效率。该款反激
PWM
器件不仅可在½负½½条件下实½准谐振控制技术与频率返送操½,而且还采用专用引脚,以禁用待机工
此外,
UCC28600
还针对高达
200W
的½½耗电源集成了各种高级保护功½,
½下的功率因数校正(PFC)级。
其中包括逐周期电源限制与过电流打嗝重启模式。UCC28600 可½高清电视、LCD 与等离子数字电视中待
机电源在有效功率模式下的效率超过
88%,而无负½½功耗级别不到 300mW。
2.注重待机功耗,减少看不见的功率流失
对于想要出口欧美等地的中½
OEM
EMS
厂商,满足½际强制执行的待机功耗法规非常重要。中½
中标认证中心(CECP)也在产品½效和待机认证方面设立了标准。
例如,
全球范围内倡议待机功耗½于
1W;
欧盟提议充电器的待机功耗½于
0.1W,现遵从 IEA 0.3W
建议。在这方面,业界通常采用跳周期模式、
½跳周期模式、减少切换开关频率模式以及脉冲模式等技术来降½待机½耗。
一般多数电源控制器需要一定的½量来运行和管理它们的开关和控制功½,
这意味着在½功耗或者
待机模式下,
它们非常½效而且在某些情况下无法满足待机功耗
1W
的要求。 新的
PeakSwitch
产品只
PI
需要非常½的运行功耗,
½进行有效的开关控制同时拥有适应性的电流限制。
这样从
300%“峰值”模式
功率到½至
1W
以下待机功率,它½½产生一个“恒定效率”的曲线。并且在
100
倍的输出功率范围内
很容易获得
82%-85%的½换效率。
对控制
MOSFET
开关的
IC
的供电也有两种设计选择。
“典型的反激
AC/DC
½换电源需要一块
IC,
通过反
馈信号来驱动开关
MOSFET
以达到½量的½换。对于这块
IC
的供电,设计者一般有两种选择-他可以从
主电源上为此
IC
供电或者从所谓的变压器‘偏½绕组’的辅助电源为
IC
供电。
这种从主电源½取电流
的缺点是从高压上获得固定的电流而造成½量浪费。
偏½绕组方法的缺点是额外的线圈增加了成本和电
路的复杂度。”PI 公司的
Bailey
介绍,“PI 的新产品
TinySwitch-Ⅲ则只需要很小的电流,就½直接
从整流后的主电源获得½量而不需要一个偏½绕组,
却仍然满足全球的效率和待机功耗标准。
”他认为,
去除偏½绕组的是未来电源发展的关键技术之一(如图所示)。
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从“偏½绕组”供电到主电源供电的演变。
传统上的开关模式通常采用功率
MOSFET
½为主要开关元件,½中½本土企业的自主研发改变了这
一概念。南京通华芯微电子的
TH101
采用经济型三极管为待机电源的开关管,同时利用其放大½用完成
启动,½将启动电阻的功耗减少
10
倍以上。“近年来,业内每年½有新的芯片出现,½在技术上的突
破并不大,如果在市场的表现不½,就会自生自灭。”南京通华芯微电子公司总工程师陈卫斌介绍道,
“通华芯是第一个将功率三极管集成到电源控制芯片内的公司,采用专利技术½及时防范过½½、开关变
压器饱和输出短路等故障。因此在技术性½相近的前提下,产品价格则非常½,而欧美大公司的同类产
品½是采用
MOSFET
管做开关管,价格自然就高。”
3.
抑制谐波污染,PFC 控制电路让电½更纯净
除了增加½换效率、减少待机功耗,随着电子技术的发展和电子设备的广泛应用,电½中的谐波污
染日益严重,给电½带来额外负担并½响供电质量。电源由于内部阻抗特性,其功率因数非常½,提高
输入功率因数的研究成为电源产品绿色概念的重大课题,也是大多数½家解决电力供应不足的关键所
在。
目前提高功率因数的方法一般分为无源
PFC
和有源
PFC
两大类型,
其中有源
PFC
是通过在电½和电
源装½之间串联插入
PFC
装½降½谐波。在有源
PFC
控制芯片中,通常采用的方法有平均电流控制法、
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峰值电流控制法以及电流滞环控制法等。很多采用了有源
PFC
电路的电源产品,电源的功率因数可提高
0.99,并且对滤波电容的要求非常½。
PC
为例,为满足
IEC 1000-3-2
标准,不给交流线路中注入谐波,电源的前端需要
PFC
控制电路。
PFC
ATX
电源中的应用也经历了从无到有,从无源
PFC
到有源
PFC
的演变过程。3C 规范中规定电脑电
源必须½用
PFC
电路。在决定采用½种
PFC
控制电路降½谐波时,需要考虑
PFC
级的引入对系统其½部
分的½响,否则将难以满足整个电源系统的待机功率和工½状态功率要求。
除了提高电源的功率因数,PFC 控制器本身功耗也应加以注意。飞兆推出以临界导通模式工½的有
PFC
控制器
FAN7528。与传统的临界导通模式 PFC
控制器不同,FAN7528 集成了双输出控制功½,提
高了全电压输入情况下的效率。这种集成功½可以去掉
PFC
不需要的
AC
电压整流后的检测,因此与同
类器件相比,可显著降½某些适配器应用中的待机功耗。由于无需输入电压感测½络,FAN7528 较之其
它需要感测输入电压的控制器,可将系统功耗削减
80mW。除了½功耗外,FAN7528
还集成了反馈开路时
½
IC
失效的功½(仅消耗
65μA),提供防止破坏性½量冲击的系统保护½力。
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