能环保、提高能效的背景下,电源系统正面临前所未有的挑战,这些挑战来自两个方面:一方面,环境的恶化迫使人们不得不考虑采用更加清洁的替代能源；另一方面,电子设备的迅猛发展亟需提升现有电源系统的转换效率,在满足政府及相关组织提出的节能环保标准和规范(如1瓦计划、美国能源之星、80 PLUS等)的同时,还应考虑消费者的需求和成本因素。从当前的技术水平来看,改善电源转换效率,优化不同负载条件下的功耗仍然是半导体厂商所关注的焦点。

创新交错式PFC结构能够改善AC/DC转换效率

由于身处电源系统的最前端,AC/DC转换器的效率和节能特性变得越来越重要。影响AC/DC转换器效率提升的因素包括铜损耗、磁芯(磁性元件)损耗、EMI滤波器损耗和开关器件损耗等。这既牵涉到原材料本身的改进也涉及设计复杂程度和设计技巧的问题。安森美半导体汽车及电源管理部全球销售及市场总监郑兆雄介绍道,对此,安森美半导体的思路是针对具体功率应用需求选择合适的工作模式,如连续导电模式(CCM)、临界导电模式(CRM)或不连续导电模式(DCM)等,优化材料的选用并采用合适的设计技巧。基于安森美NCP1606的240W CRM PFC可以实现高于93%的效率,基于NCP1654的300W CCM PFC更可实现高于95%的效率。此外,还可以考虑采用最新的PFC结构,如无桥PFC和交错式PFC等。安森美半导体目前已经拥有符合80 PLUS规范要求的方案,并将在今年推出能效达85%的解决方案。

安森美半导体汽车及电源管理部全球销售及市场总监郑兆雄。

除了采用损耗较低的器件,改善AC/DC电源性能主要还可通过谐振转换、同步整流等技术来进行。飞兆半导体(Fairchild)公司计算、通信和消费电子产品高级市场总监Guy Moxey解释道,过去,运用谐振技术的最大障碍是设计和实现过于复杂。LLC技术可消除大部分的不利因素,使用飞兆半导体的FSFR2100 LLC控制器可以最少的元件实现LLC转换器,从而降低设计复杂性,并可在多种应用中用于实现节能。

良好的PFC设计对于提高效率大有裨益。正如德州仪器中国区高性能模拟产品业务开发经理张洪为所强调的,“采用定频CCM的PFC通常会EMI太高,肖特基二极管的反向恢复造成的耗散太高；变频的临界模式则往往峰值电流太大、效率较低。”因此,TI在2007年发布了2款交错式PFC:UCC28060(临界模式)和UCC28070(连续模式),前者很好地解决了600W以下的PFC设计问题,后者则通过双路交替,任意级联无限扩充的方法,解决了600W以上乃至数千瓦应用的PFC问题。这两款集成化交替模式的解决方案能够大幅降低EMI滤波器的成本开销,提高效率,并减小热应力和磁芯尺寸。

对于提高AC/DC转换效率,亚诺德半导体(ADI)公司提供了另一种解决思路:在当前大部分系统中,AC/DC转换器并不与系统就运行状态信息和供电方面进行通信。如果系统实时地向AC/DC转换器发送供电需求,AC/DC转换器可以根据信息改变运行结构或拓扑结构,即使负载在大范围变化也能实现较高的效率。

“通过电源的智能控制,可以实现系统与电源转换器之间的通信。可以实时地向脉宽调制控制器发送优化的电压与电流控制信号。系统控制器通过数字信号处理器或微控制器读取电压、电流、效率与温度数据。此外,系统还可以监控供电情况。”ADI亚太区电源管理产品总监翟至钧说。ADI公司新推出的ADP1043数字脉宽调制(PWM)电源控制与管理器件为设计工程师提供高度集成的电路架构和灵活性,利用直观的GUI(图形用户接口)可以在几分钟内配置系统电源参数。在终端系统实现方面,ADP1043有助于系统集成人员优化电源供电效率,同时缩短设计周期,实现智能的电源管理系统。

Power Integrations(PI)公司市场副总裁Doug Bailey的观点是,电源效率的提高要归功于造成损耗的各种元件的减少。由于电容引起的开关损耗、MOSFET的传导损耗以及输出二极管损耗占着主导地位。采用更大的MOSFET、用于谐振的双开关解决方案、用MOSFET代替输出二极管都是一些很容易实现的拓扑变化,这些方法可以获得实质性的效率改善。PI的linkSwitch产品线通过消除二次反馈和光耦可实现提高效率和减低成本的目标。去除包括电流感测电阻和光偏置在内的耗能元件可提高系统效率并降低成本。

DC/DC转换的重点仍然是针对待机条件优化效率

对于DC/DC转换器而言,要提高其能效需要从多方面入手。例如,降低变压器初级导通损耗、降低开关损耗、降低次级损耗及降低磁芯损耗等。安森美的郑兆雄表示,可以分别通过降低导通阻抗和/或降低初级峰值电流及均方根电流；采用软开关技术；降低整流器压降(使用低正压降的二极管或FET整流器)；采用更好的磁芯材料来实现以上目标。从整体角度来看,提高DC/DC转换器的开关频率,可以允许使用尺寸更小的电感等外围器件,从而节省电路板空间并降低成本。

TI的张洪为强调,不可小视通常只有μA级大小的DC/DC待机电流,“以移动设备为例,如果能将3路DC/DC的待机电流从450μA降到45μA,待机时间就会延长50%。”TI的全系列DC/DC器件几乎全部采用新型的工艺和控制方法,实现了静态电流的最小化。例如典型值为15uA每通道的TPS6226x系列。针对较大电流的应用,TI推出了电流模式有源钳位PWM控制器UCC2897,相比半桥谐振,它无论在满载、半载还是轻载条件下都能实现很高的效率,而且对负载的瞬变反应非常快,能够满足最苛刻的电信级需求。

在手机等便携式应用中,大多数稳压器都是在给处于待机或睡眠模式的负载(微处理器)供电。这时,系统无法受益于转换器的高效率(有90%的时间处于轻载状态)。为克服这个两难的问题,飞思卡尔公司发明了独特的Z-factor技术,在轻载时也能提供很高的效率(85%以上)。该技术在轻载时使用了脉冲跳频技术,而输出纹波非常低,使得从PFM到PWM的转换非常平滑。“在选购DC/DC转换器时,一定要注意能否在整个负载范围内保持高效率”,飞思卡尔半导体中国及东南亚地区模拟产品市场营销经理Norman Chan指出。

飞思卡尔半导体中国及东南亚地区模拟产品市场营销经理Norman Chan。

由于大部分DC/DC转换器的损耗来自开关晶体管(对于低压DC/DC,这里指的是MOSFET)。飞兆半导体现有的MOSFET已具有低RDS_ON和低栅电荷的特性。在转换器中,满载条件下低端同步FET是最大的损耗产生源(由I² x RDS_ON决定)。因此,RDS_ON越小,损耗就越低,可实现的效率也越高。而在轻载条件下,高端器件的开关损耗占据主导,因此飞兆半导体开发了具有更低开关损耗的FET技术。

美国国家半导体(NSC)亚太区电源管理产品市场营销经理吴志民指出,电路拓扑的改进对于效率提高只有增效作用。他认为更好的方法是从总体上考虑系统电源要求。在自适应电压调整(Powerwise AVS)等数字电源技术的帮助下,可以通过自动调整供电电压来适应不同的工作条件,从而优化总体系统效率。

不过,数字电源和模拟电源在灵活性和成本方面各有其优势。安森美半导体的郑兆雄表示,数字电源可为系统和板上IC功能性提供一定的灵活性,但数字电源目前只适用于细分的利基应用,因为解决方案成本仍然很高。TI则认为,数字电源在较大功率、较复杂输出响应或者可变输出响应等方面有很大的优势,但在中小功率,通用性较大的产品以及便携式产品中暂时不会有较大突破。飞思卡尔的Norman Chan对此亦有认同,“对于较复杂的系统和大功率应用而言,数字电源可利用更多的智能来帮助整个系统节省所用功率,此外,有些数字控制方案可用来减少在高开关频率转换器中日益增大的开关损耗。”

可驱动多达96个白光LED的驱动器即将问世

发光效率高、使用寿命长使得LED技术能够很好地适应节能环保规范的要求。除了通过改进半导体材料及其工艺技术来提高LED性能外,半导体厂商也正在开发更高效率、更高集成度、更小封装和更大电流的LED驱动器。

升压型LED驱动器的效率在很大程度上取决于被驱动的LED数以及所需的LED电流。NSC的吴志民说道,“通常,我们的驱动器可以达到80%以上的效率。为进一步提升效率,诸如LM3430+LM3432和LM3431这样的大面板LED背光解决方案还具有动态余量特性。经升压后的电压可自我调整到仅够驱动串联LED的大小,这样就能使驱动LED的恒流源功耗保持最低水平。”除了考虑驱动器效率,还需要关注器件的输出纹波、负载和线性调整率、开关频率等参数。

目前大多数用于背光驱动的DC/DC升压转换器效率在80至90%的范围内。飞思卡尔公司采用独有的SMARTMOS技术和IP设计可以达到90%的效率,其器件在单个芯片中集成了DC/DC升压转换器和LED驱动器,因此有可能在点亮所有LED的同时获得最高的效率。凌力尔特(Linear)公司的LED驱动器大多能够提供约95%的转换效率。其中,多拓扑结构大电流LED驱动器LT3755能够以93%的效率(在升压模式中)驱动一个高达50W的LED串。

据Power Analog Microelectronics(PAM)公司工程副总裁方乐章介绍,PAM推出的PAM2846是一款高效率升压型白光LED驱动芯片,针对7至15英寸大小的显示应用开发。它可以在输入电压在4.5至28V时驱动最多6串(每串12个),总共72个LED。通过采用串电流控制电路,各个串之间的电流偏离值不会超过3%,因此可确保所有LED都能够达到同样的亮度。方乐章透露,公司最新开发的PAM2848器件将能够驱动多达96个LED。

对手机等便携设备的电池寿命而言,LED背光是最耗电的因素之一。随着图形和视频处理能力迅速增强,显示屏尺寸和背光LED数量都有所增加,终端用户也要求更高的显示亮度。针对以上需求,ADI的翟至钧提出,调光控制是一种保持较低平均功耗的有效方法。但在一个高效的设计中,调光控制算法的调光电流电平设置和占空比控制等方面都非常复杂。在某些情况下,基带处理器没有足够的资源来实现调光控制。专用的背光器件通过给照明单元提供上述功能以及通过串行总线与处理器进行通信的能力,可以解决这个问题。

突发模式技术将待机静态电流减小至10μA

待机能耗包括两个因素,一是电源空载时的能耗,二是系统轻载时的能耗。安森美半导体在降低待机能耗方面拥有许多技术和解决方案,如高压启动和动态自供电、跳周期、软跳周期、频率回走以及准谐振技术等。准谐振开关能力可以降低能耗,并减少所需的元器件数量。安森美半导体的NCP1207准谐振控制器与现有的固定频率控制器相比,具有更高的能效,并能够降低待机能耗。NCP1207能将100W电视机电源的待机功耗降到低于1W水平,符合最新的能效规范要求。

NSC最新推出的LM20000系列产品由一系列同步整流降压稳压器组成。除了提供满载时的高效率特性外,这些稳压器支持轻载时的非连续导通操作。如果负载进一步被降低到低于四分之一瓦,则这些IC将开始进入跨周期工作状态。由LM20000系列供电的产品可以利用这些多级节能待机特性轻松满足待机功率的要求。

凌力尔特拥有兼具高转换效率和低静态电流的电源管理IC,在其许多电源管理IC中都采用了Burst Mode(突发模式)技术。这种方法最大限度地减小了IC本身在待机模式期间所需的电流。在许多应用中,该待机静态电流低至10至20μA。

PI公司正在生产的适配器解决方案也具有很高的性价比,在空载模式下只需30mW。该数字比能源之星2.0和EuP标准(300mW)还要低10倍。

“我们可以在产品中使用各种方案、IP和技术来降低正常工作或待机模式时的功耗”,Norman Chan谈到,首先,飞思卡尔公司的SMARTMOS硅片工艺可以实现很低的漏电流和基底电流,以至静态功耗可以降到非常微小的级别(亚微安范围)。其次,飞思卡尔FET的导通电阻非常低,从而能够确保由于热效应和寄生加载引起的功率浪费被减小到最低。最后,从设计的角度看,不管是硅片级还是电路板级,通过节能技术和优良的功能可以在各种系统工作模式下实现最小的功耗,同时不会牺牲期望的输出性能。

太阳能电池和燃料电池的商用亟待提高转换效率

电能消耗巨大且能源使用效率不高是目前全球共同面临的问题。许多公司和政府正在积极寻求新能源和能源替代品,这些新的替代能源应对环境产生的影响较小,并且来自较洁净和自然的资源,它们包括燃料电池、风能、太阳能、水力、地热、潮汐等等。

安森美半导体的郑兆雄指出,在所有的绿色电源技术中,太阳能电池技术备受瞩目。太阳能电池包括单晶硅、多晶硅及薄膜硅太阳能电池等不同类型。但由于晶硅原材料的短缺问题,使得不少太阳能电池设备都处于停产状态,而且不断上涨的硅价格也使得太阳能电池商用的挑战加大。相对而言,薄膜硅太阳能电池仅消耗相对于普通太阳能电池1%的硅,因此不少厂商都在加大薄膜硅太阳能电池的生产。

无独有偶,德州仪器(TI)也十分看好太阳能的发展前景。“太阳能电池是目前发展最快的绿色能源”,张洪为表示,开发太阳能电池的关键在于提高效率以及降低制造成本。目前兴起的有机薄膜太阳能电池技术能大大提高转换效率,此外,能够最大限度汲取太阳能电能的直流转换技术也不可忽视,TI推出的DC/DC升压转换器TPS61200可支持太阳能电池与微型燃料电池等新型电源在便携式设备中的应用,可在不足的输入电压下高效工作,启动电压也仅为。

除了太阳能系统需要将太阳能转换为电能,风力发电、水利电气或其它系统都需要将这些绿色能源转换成电能。凌力尔特电源产品部产品市场经理Tony Armstrong表示,“凌力尔特在DC/DC功率转换技术方面具有优势,许多用于获得新型能源并将其转换成电能的系统都将采用我们的产品。”

凌力尔特电源产品部产品市场经理Tony Armstrong。

燃料电池是可用于电池供电设备的一种先进技术。由于这些电池无需重复充电,只要提供氢燃料就能提供充足的电能和热量,因此非常适应环保要求。事实上,业界正在竞相生产适合便携式设备(如射频识别RFID)使用的燃料电池,并不断推进其商用化。Norman Chan透露,飞思卡尔正在研发与这种绿色能源有关的电源管理器件。

他还谈到,目前的发展趋势是尽可能地提高燃料或能量效率并减小能源浪费。从IC的角度看,产品需要在低功耗和低耗散方面进行改善。针对这一需求,飞思卡尔推出了具有低导通电阻RDS_ON和超低漏电流的制造工艺(SMARTMOS),这种工艺非常适合便携式消费类和医疗设备市场中对电能消耗较敏感的产品使用。

不过,安森美半导体的郑兆雄也表示,燃料电池和太阳能电池等都属于下一代的电源技术,目前还在探索阶段,无法实现大规模、成本适宜的商用。郑兆雄指出,在新一代电源技术大规模商用就绪之前,安森美半导体充分利用现有技术进行创新,开发出GreenPoint电源解决方案来提升电源工作效率、降低待机能耗及改善功率因数,以整体性的方法来节省及降低能耗。PAM公司首席科学家茅于海教授补充说,当前利用太阳能最大的问题是太阳能板的效率较低(通常低于15%),且价格昂贵。如果太阳能的转换效率能够提高到30%,同时进一步降低成本,那么就有可能大范围地推广应用。

作者:Nicole Chen
《电子系统设计》