高效节能技术应对更严格电源能效规范要求

随着人们节能环保意识的不断增强，计算机、照明、消费电子、电源适配器和家电等领域越来越多地出现了更严苛能效法规的限制。以在全球拥有广泛影响力的美国“能源之星”项目为例，新的1.0版固态照明(SSL)规范已从2008年10月1日开始实施，2.0版适配器/外部电源规范和3.0版电视规范也于同年11月1日开始实施，而2.0版的机顶盒(STB)规范也于2009年1月1日生效。
　　
这些能效规范在工作能效、待机能耗及功率因数方面提出了比此前版本更高的要求。如2.0版适配器规范的工作能效(以大于49 W输出功率为例)要求是不低于87%，而此前的1.1版要求为不低于84%。另外，3.0版电视机规范的待机能耗要求为不超过1 W，后续规范则可能进一步降低不超过0.3 W甚至是0.1 W。
　　
这些更趋严格的能效规范为电源设计人员带来了更棘手的节能挑战。安森美半导体身为全球领先的高性能、高能效硅方案供应商，在以高效节能技术应对更严格电源能效规范方面拥有独特的优势，提供高能效的整体电源方案，可帮助设计人员同时实现降低电源待机能耗、提升工作能效及应用功率因数校正(PFC)。
　　
优化PFC控制模式，结合PFC与主转换器
　　
包括计算机电源、外部适配器在内的许多应用的能效规范都包含功率因数要求，如功率大于75 W的个人计算机、电视和显示器强制要求应用PFC。安森美半导体整体方案的一个重要组成部分，就在功率因数校正方面致力于将PFC与主转换器结合，并优化指定应用和功率电平的PFC控制模式。
　　
而根据电流特性的不同，常见的PFC工作模式有非连续导电模式(DCM)、临界导电模式(CrM)、连续导电模式(CCM)以及频率钳位临界导电模式(FCCrM)等，其特征也各不相同。

表1：针对不同输出功率等级及应用的安森美半导体PFC控制器。

安森美半导体提供丰富PFC控制器选择，如NCP1601/5/6/7/8、NCP1631、NCP1650/1/2/3/4等，涵盖上述不同工作模式，优化用于不同功率的应用，见表1。如NCP1606/7/8采用CrM工作模式，适合于功率通常低于300 W的中等功率应用，如电子镇流器、液晶电视、等离子电视、台式计算机和交流适配器等。最新推出的NCP1654均工作在CCM模式，适用于功率大于200 W以上的场合。NCP1654的前身NCP1653推出几年来已经获得了极大的成功，广泛应用于台式计算机，开放式电源等领域。特别是在液晶电视和等离子电视中更是占据了绝大多数的市场份额。
　　
与此同时，安森美半导体还开发了较新的PFC架构，如将PFC段与脉宽调制(PWM)主转换器段结合在一起，推出单段式的PFC控制器。实际上，NCP1651及NCP1652就是这种架构的典型产品。这种单段式PFC减少控制IC、电感和MOSFET的使用数量，帮助提升能效及显着降低成本。NCP1652单级PFC采用反激式拓扑结构，既可以工作在CCM，也可以工作在DCM，结构简单且成本优势明显，特别适合于25 W至150 W功率范围的应用，包括大电流电池充电器、分布式电源系统前端和大功率固态照明(SSL) 等。采用CCM工作模式时，NCP1652帮助提供极优的功率因数，同时限制峰值初级电流。
　　
安森美半导体还积极开发交错式PFC等新颖的PFC控制技术及FCCrM工作模式的单芯片交错式PFC控制器——NCP1631。这种交错式PFC更易于设计，便于采用模块化的方案，并简化电磁干扰(EMI)滤波，特别是采用两个较小PFC 的设计能够支持厚度低至10 mm的超薄型液晶电视设计，在完整功率范围下提供极优能效，见图1。

图1：基于NCP1631单芯片交错式控制器的300 W PFC电路板能效测试结果。

采用更好器件及拓扑结构，提升电源工作能效
　　
除了PFC方面的努力，安森美半导体还在开关控制器方面采用频率反走、同步整流，以及软开关(包括准谐振、完全谐振、有源钳位(反激或正激))等拓扑结构，同时采用好的场效应管(FET)和二极管，以提升电源方案工作效率。

　　
表2：NCP1379/80控制器提供高工作能效及低轻载和待机能耗。
　　
其中，就交流-直流(AC-DC)离线式开关电源控制器而言，安森美半导体提供带高压启动电路及不带高压启动电路的多种选择，如NCP1237/8、NCP1287/8、NCP1379、NCP1380、NCP1252、NCP1351、NCP1395/6/7等。以NCP1379/80为例，这两款器件是高性能的准谐振(QR)控制器，带谷底锁定功能，支持谷底转换，在宽范围条件下提供优异的工作能效(见表2a)，并大幅降低噪声，适合用于笔记本、LCD显示器和游戏机的交流-直流适配器，平板电视的辅助电源，以及DVD和机顶盒等消费类应用。
　　
而除了主开关控制器，安森美半导体规划推出一系列新的高压功率MOSFET完善电源解决方案，如NDFxxN60Z等。这些MOSFET采用的先进封装技术，包括2009年内推出的DPAK表面贴装(SMT)封装和TO220FP、TO-220穿孔封装，以及在2010年推出D2PAK、SOT-223等表面贴装封装，及I2PAK、TO-30、IPAK及TO-92等穿孔型封装。此外，安森美半导体还拥有丰富的整流器产品，产品除了涵盖适配器、ATX电源、液晶电视电源等电源市场，还包括动力系统、安全及控制、舒适及便利、车身电子等汽车市场。
　　
新的绿色节能技术研究
　　
安森美半导体身为全球领先的高性能、高能效硅方案供应商，除了以现有产品和技术帮助客户构建高能效的整体电源方案，还持续推动新的绿色节能技术研究，帮助后续能效规范的更高要求及客户的更高期望。
　
例如，在提升PFC能效方面，除了交错式PFC等新颖技术，安森美半导体还对无桥PFC方案进行了研究。这种PFC架构旨在去掉二极管整流桥，减少整流过程中的功率损耗，大幅提升PFC能效。安森美半导体基于这种架构开发了800 W PFC 段的原型。这原型采用NCP1653 PFC 控制器及MC33152 MOSFET 驱动器。经测试，这原型在90 Vrms、满载、无风扇(机箱打开，室温)条件下的能效达94%，而在100 Vrms 时达95%。在20%负载时能效更接近或超过96%。这种无桥PFC 架构将是适合大功率应用的一种极高能效的解决方案。

　　
图2：用于提升PWM能效的新的交错式LLC拓扑结构示意图。
　　
其次，在提升主转换器的PWM能效方面，安森美半导体除了继续开发有源钳位正激(ACF)、半桥谐振(LLC)等软开关拓扑结构，还在开发新的交错式LLC(ILLC)拓扑结构，用于更大功率的应用。在需要输出大电流(如大于15 A)和/或低厚度设计时，ILLC可用于提供极高能效，且大幅减小次级电容纹波电流。能够基于NCP1395/6控制器，增加除法逻辑及2个半桥驱动器NCP5106，构建ILLC控制单元。评估板测试结果显示，这种拓扑结构在相位2轻载关闭时，能够保持高于95%的极高能效。安森美半导体还积极开发新型次级同步整流技术，如NCP4303A/B通用同步整流控制器具有外部可调节最短导通及关闭时间等特性，优化使用开关周期，提供高能效。
　　
高能效参考设计加快“绿色”电源上市
　　
安森美半导体为了帮助客户缩短开发周期并加快产品上市，还推出多种GreenPoint®电源参考设计，如极高能效的255 W计算机ATX电源参考设计、220 W高压LIPS液晶电视电源参考设计等。这些公开参考设计中提供的文档包括功能框图和全部示意图、物料单(BOM)、电路板布线图、设计描述、性能测试结果，以及源自第三方测试的性能验证。
　　
总结：
　　
计算、消费、照明及适配器等领域涌现了越来越多的更趋严格的电源能效规范标准，为设计人员带来了重要挑战。安森美半导体身为全球领先的高性能、高能效硅方案供应商，不断推出各种新颖的关键控制器件、MOSFET和整流器产品，同时持续开展绿色节能技术研究，以一种整体的方式帮助客户同时改善功率因数、提升工作能效及降低待机能耗，并提供经过测试证实具有极高能效、符合80 PLUS和“能源之星”等规范要求的高能效GreenPoint®电源参考设计，帮助客户缩短设计周期，加快产品上市进程。

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