节能法规鞭策电源设计，IC方案上演性能竞赛

Ruby

本文探讨在全球节能趋势下的电源节能法规，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。
在中国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，包括中国在内的世界多国出台了要求更趋严格的节能法规，使得中国企业在设计“绿色电源”、进行节能降耗方面面临着更大的压力。特别是随着越来越多的中国产品出口海外，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能，还需要更加关注产品的电源管理和节能特色。与此相应的，各种节电技术不断涌现，更高性能的IC解决方案纷纷问世，从而使中国厂商采用能够满足苛刻法规要求的绿色电源成为可能。
全球节能，法规先行
为了并推广高效率节能产品，并方便消费者区分，全球多个国家和地区纷纷发布了各种节能规范，例如“能源之星”认证项目、美国加州能源委员会(CEC)、欧盟行为准则、欧洲高能效电器组织(GEEA)，均把节能放在环保的重要一环。欧洲今年开始执行由GEEA发出的能源标签，中国在2006年3月实施的节能评价值指标为待机能耗3W，能效指数为1.1；2009年3月1日实施的节能评价值为待机能耗1W，能效指数为0.75。
对于上述全球的各种节能法规，Power Integrations(PI)公司市场部副总裁Doug Bailey认为目前有两种方式定义能源效率标准：1)规定电源效率；2)规定固定功能所允许的总功耗。
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转换到低压DC过程中功率的损失值。今年7月1日开始强制实施的CEC规范就是一个很好的例子。这种标准非常有用，因为不管向什么设备供电都可以规定供给效率。但这种标准的弱点是功率仍可能被电子设备所浪费。
2)总功耗预算法最适合固定性能设备的应用。许多公司都制造类似产品，例如一个17寸的电脑显示器或者一台DVD播放器，它们的工作方法实质大都相同。因此，制定规范的人认为这种定义方式能限制能量使用，有助于嘉奖最高效的设计或者惩戒最低效的设计。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。设计师可以使用一个更有效的电源或者可以减少某些性能，增加一个电源管理芯片，或者使用一个效率更高的CPU，或者做出其它方面的权衡取舍。
积极制定和推广产品能源效率标准、开展节能产品认证是提高能源利用效率的有效途径。各种环保和节能政策给中国的电子制造商带来了挑战和压力，但同时也促使了电源产品向更节能的方向蓬勃发展。
节能法规与环保趋势，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、仔细研究如何进行功率划分，并决定应当采取什么步骤。这些研究应该包含成本和性能之间的权衡取舍。
具体对于节能电源的设计，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转换效率；其次，无论是在待机模式还是在停机模式中，它都必须具有低静态电流。“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，在电信和网络系统以及各种家电中，兼具高转换效率和低静态电流的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，显著提升开关电源转换效率
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转换，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，使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。当然，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。
在提高电源工作效率方面，业界广泛利用有源钳位、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位用于主电源转换电路中，用有源钳位电路取代传统的复位线圈来执行变压器的复位动作。其产品NCP1280和NCP1562有源钳位电路控制器具有的软开关能力及其它独特性能，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，但近年来随着一般PC或消费电子产品对低电压、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，改用同步整流MOSFET以降低功耗。但在100W到300W的反击电路中，由于同步整流MOSFET的极性转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、还浪费能量。针对此问题，国际整流器(IR)公司的智能整流IC IR1167能直接感测同步整流MOSFET的电压门限值，实现了快速准确的控制，使功耗降至最低。另外，该IC还能提升1%的整体系统效率，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的良好解决方案。UCC28600是TI公司一款8引脚准谐振控制器，能够显著提升消费类电子系统与AC电源适配器的能量效率。该款反激PWM器件不仅可在轻负载条件下实施准谐振控制技术与频率返送操作，而且还采用专用引脚，以禁用待机工作下的功率因数校正(PFC)级。此外，UCC28600还针对高达200W的低能耗电源集成了各种高级保护功能，其中包括逐周期电源限制与过电流打嗝重启模式。UCC28600可使高清电视、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%，而无负载功耗级别不到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国OEM和EMS厂商，满足国际强制执行的待机功耗法规非常重要。中国中标认证中心(CECP)也在产品能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低于1W；欧盟提议充电器的待机功耗低于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、软跳周期模式、减少切换开关频率模式以及脉冲模式等技术来降低待机能耗。
一般多数电源控制器需要一定的能量来运行和管理它们的开关和控制功能，这意味着在低功耗或者待机模式下，它们非常低效而且在某些情况下无法满足待机功耗1W的要求。PI新的PeakSwitch产品只需要非常低的运行功耗，能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”模式功率到低至1W以下待机功率，它都能产生一个“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%的转换效率。
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转换电源需要一块IC，通过反馈信号来驱动开关MOSFET以达到能量的转换。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‘偏置绕组’的辅助电源为IC供电。这种从主电源抽取电流的缺点是从高压上获得固定的电流而造成能量浪费。偏置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，就能直接从整流后的主电源获得能量而不需要一个偏置绕组，却仍然满足全球的效率和待机功耗标准。”他认为，去除偏置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“偏置绕组”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作为主要开关元件，但中国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，同时利用其放大作用完成启动，能将启动电阻的功耗减少10倍以上。“近年来，业内每年都有新的芯片出现，但在技术上的突破并不大，如果在市场的表现不好，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，采用专利技术能及时防范过载、开关变压器饱和输出短路等故障。因此在技术性能相近的前提下，产品价格则非常好，而欧美大公司的同类产品都是采用MOSFET管做开关管，价格自然就高。”
3. 抑制谐波污染，PFC控制电路让电网更纯净
除了增加转换效率、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，电网中的谐波污染日益严重，给电网带来额外负担并影响供电质量。电源由于内部阻抗特性，其功率因数非常低，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，也是大多数国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是通过在电网和电源装置之间串联插入PFC装置降低谐波。在有源PFC控制芯片中，通常采用的方法有平均电流控制法、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到0.99，并且对滤波电容的要求非常低。
以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在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使用PFC电路。在决定采用何种PFC控制电路降低谐波时，需要考虑PFC级的引入对系统其余部分的影响，否则将难以满足整个电源系统的待机功率和工作状态功率要求。
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作的有源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能，提高了全电压输入情况下的效率。这种集成功能可以去掉PFC不需要的AC电压整流后的检测，因此与同类器件相比，可显著降低某些适配器应用中的待机功耗。由于无需输入电压感测网络，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。除了低功耗外，FAN7528还集成了反馈开路时使IC失效的功能(仅消耗65μA)，提供防止破坏性能量冲击的系统保护能力。

[此贴子已经被作者于2006-8-1 14:21:31编辑过]

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