半導(dǎo)體供應(yīng)商應(yīng)如何作以滿足政府及有關(guān)機構(gòu)發(fā)布的電子規(guī)范要求

面對減少二氧化碳 (CO2) 排放量的目標(biāo)及全球性節(jié)能的迫切需求，多項強制性規(guī)定電子應(yīng)用的電源效率的規(guī)范不斷出現(xiàn)。從降低待機功耗、增加效率及提供能強化功率質(zhì)量解決方案的角度來看，半導(dǎo)體供應(yīng)商正擔(dān)當(dāng)越來越重要的角色，必須遵守這些規(guī)范。本文將探討產(chǎn)業(yè)面臨的功率設(shè)計挑戰(zhàn)、應(yīng)付這些挑戰(zhàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法，以及解決這些問題的嶄新技術(shù)。本文還將深入研究目前已有和即將出臺的政府及組織規(guī)范，并給出了在集成電路或拓撲結(jié)構(gòu)中遵守這些規(guī)范的方法。
待機模式是指當(dāng)產(chǎn)品處于被動狀態(tài)或睡眠模式中，即相對于有源或工作模式。產(chǎn)品未使用時的待機功耗占總功耗的 5-10%。為達到減少礦物燃料使用及其相關(guān)污染的戰(zhàn)略性目標(biāo)，許多國家都要求產(chǎn)品能降低其待機功耗。美國、歐盟、中國、日本及韓國都已有限制電子產(chǎn)品待機功率的相關(guān)規(guī)范，幾乎針對于所有家用、消費和辦公產(chǎn)品。當(dāng)中所允許的功率值與產(chǎn)品類型相關(guān)。舉例說，歐洲于 2006 年將執(zhí)行由能源效率電器組織 (GEEA) 發(fā)出的能源標(biāo)簽，指出需要一大部分內(nèi)部電子器件以下載新軟件和電子節(jié)目指南的數(shù)字衛(wèi)星機頂盒，其最大功率允許值可達 15W。而VCR 或 DVD 可錄播放機的限值只有 2.5W。
半導(dǎo)體供應(yīng)商因此需要為產(chǎn)品制造商提供電源解決方案，以滿足這些待機要求。例如，飛兆半導(dǎo)體許多功率開關(guān)元件都通過進入間歇工作模式來解決這一難題。圖 1顯示了采用飛兆半導(dǎo)體功率開關(guān)的單輸出反激式電源的模塊示意圖。圖 2 指出飛兆半導(dǎo)體功率開關(guān)如何在待機 (間歇) 模式下工作。

圖 1  采用飛兆半導(dǎo)體功率開關(guān)的單輸出反激式電源的模塊示意圖

圖 2  飛兆半導(dǎo)體功率開關(guān)在待機 (間歇) 模式下工作的示例
隨著產(chǎn)品負載降低，反饋電壓 Vfb 也隨之降低。當(dāng)反饋電壓降低至 500mV 時，器件將自動進入間歇模式。主器件的開關(guān)動作將繼續(xù)，但內(nèi)部限流將減小來限制變壓器的磁通密度。隨著反饋電壓不斷下降，開關(guān)動作將會繼續(xù)。一旦反激電壓降到 350 mV，開關(guān)將會停止，而電源的輸出電壓會以與負載電流一定的比率下降。這反過來會引起反饋電壓上升。當(dāng) Vfb 上升到 500mV，開關(guān)又會重新啟動，而這又會造成反饋電壓再次下降，使到過程不斷重復(fù)。間歇工作模式的優(yōu)點是能大幅降低待機功耗。
除了限制待機功率外，多個組織和官方機構(gòu)正對器件的正常操作也加以功率限制。例如，GEEA建議視頻磁帶錄像機 (VCR) 和可錄 DVD 播放機在開機模式下的功耗不得大過 15W。為了滿足這些規(guī)范，在正常工作模式下的電源效率因而需要提高。其中一個方法是減少開關(guān)器件的開關(guān)損耗。為了了解如何利用準(zhǔn)諧振 (quasi-resonant) 技術(shù)來獲得更高的效率，應(yīng)先回顧一下硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器的工作原理。圖 3 所示為傳統(tǒng)的反激式轉(zhuǎn)換器。

圖 3  傳統(tǒng)的反激式轉(zhuǎn)換器
在傳統(tǒng)的反激式轉(zhuǎn)換器中，當(dāng) FET 關(guān)斷時，電路周圍的各種寄生電容如 FET 的輸出電容 (Coss)、變壓器電容及反射二極管電容等，都將進行充電。當(dāng) FET 重新導(dǎo)通時，這些寄生電容會向 FET 放電，造成很大的電流尖峰，從而增加總體開關(guān)損耗。但在準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器中，F(xiàn)ET 的漏源電壓由控制器來感測，并僅會在第一個谷值期，亦即當(dāng)漏源電壓最小時將 FET 導(dǎo)通。因此，準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率不會與振蕩器依賴，而是和初級電感、諧振電容、輸入電壓和輸出功率相關(guān)。圖 4 為準(zhǔn)諧振開關(guān)示意圖。

圖 4  準(zhǔn)諧振開關(guān)示意圖
準(zhǔn)諧振開關(guān)的結(jié)果是大大減小了導(dǎo)通電流尖峰，從而降低開關(guān)損耗，并且提高效率。視電源設(shè)計而定，更可以實現(xiàn)零電壓開關(guān)。飛兆半導(dǎo)體專為各種不同的功率水平，提供了各式準(zhǔn)諧振功率開關(guān)。
另一個對產(chǎn)品電源設(shè)計有著重大影響的規(guī)范是功率因數(shù)校正 (PFC)。根據(jù) EN61000-3-2 規(guī)范，在歐洲市場銷售額定功率達 75W 以上的產(chǎn)品必須引入功率因數(shù)校正。目前流行的大部分消費電子產(chǎn)品包括計算機和外設(shè)等都含有開關(guān)電源。大多數(shù)離線開關(guān)電源的前端都采用了傳統(tǒng)的二極管橋＋電容作為輸入，以便進行 AC/DC 轉(zhuǎn)換，如圖 5 所示。這種電容性負載會導(dǎo)致低功率因數(shù)。只有當(dāng) AC 線電壓峰值大于電容上的電壓時，二極管橋電路才會傳導(dǎo)電流。由此產(chǎn)生的半正矢 (haversine) 電流波形包含了大量諧波，從而降低功率因數(shù)。圖 6 便顯示了這一現(xiàn)象。

圖 5  開關(guān)電源的前端采用傳統(tǒng)的二極管橋＋電容輸入來進行AC/DC轉(zhuǎn)換

圖 6  半正矢 (haversine) 電流波形包含了大量諧波，能夠降低功率因數(shù)
功率因數(shù)校正的目的是使電流波形成為類似于電壓波形的正弦波形。在這個過程中，電源就像是 AC 線的電阻性負載。校正功率因數(shù)可以以有源或無源方式實現(xiàn)。無源方式校正時，電感放置在二極管橋電路和電容前面。這個電感將過濾部分較高階諧波，從而提高功率因數(shù)。無源校正的原理很簡單，不過由于電感工作在 AC 頻率下，因此可能較為龐大及笨重，并因最終產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)限制而難以實現(xiàn)。
有源功率因數(shù)校正包括把高頻轉(zhuǎn)換器置于二極管橋電路和電容之間。這種轉(zhuǎn)換器使用了反饋方案，可使平均輸入電流成為正弦電流。一般能夠通過有源而非無源方式校正獲得較高的功率因數(shù)值。功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換器通常是升壓拓撲，這種結(jié)構(gòu)的好處是輸入電流是連續(xù)的。圖7為其實現(xiàn)圖。

圖 7  有源功率因數(shù)校正
這類有源校正方案有幾種變體，包括非連續(xù)性或臨界傳導(dǎo)模式、連續(xù)性傳導(dǎo)模式，以及具有零電壓開關(guān)的連續(xù)性傳導(dǎo)模式。它們都各有其優(yōu)點。
非連續(xù)性傳導(dǎo)模式往往作為臨界傳導(dǎo)模式來實現(xiàn)，并用于 300 W 及以下的較低功率應(yīng)用。臨界傳導(dǎo)模式的特征是一旦電感電流達到零，就會開始下一個周期。圖 8描述了臨界傳導(dǎo)模式的工作原理。它的優(yōu)勢是 Q1 直到電感電流為零時才導(dǎo)通，因此消除了升壓二極管 (即圖 7 的 D2) 的反向恢復(fù)效應(yīng)。故此可以使用較低成本的升壓二極管。不過，由于臨界傳導(dǎo)模式中的 rms 電流較大，因此也需要較大的電感磁心和繞線線徑。而 FAN7527B 和 FAN7528 正是飛兆半導(dǎo)體的臨界傳導(dǎo)模式控制器。
圖 8  臨界傳導(dǎo)模式的工作原理
為了降低 rms 電流以獲得更高的輸出功率，通常會采用連續(xù)性傳導(dǎo)模式。在這種模式中，電感電流在下一個周期開始之前不會為零。因此，rms 電流得以大大降低。圖 9 所示為連續(xù)性傳導(dǎo)模式。連續(xù)性傳導(dǎo)模式的問題是置于升壓二極管 D2上的應(yīng)力。D2 的反向恢復(fù)損耗在連續(xù)性傳導(dǎo)模式中非常重要。飛兆半導(dǎo)體提供的連續(xù)性傳導(dǎo)模式部件包括 FAN4810 和幾種整合了 PFC 控制和下行開關(guān)電源控制的器件。這些組合控制器計有 FAN4800、ML4824、ML4841 和 ML4826-2。

圖 9  連續(xù)性傳導(dǎo)模式
具有零電壓開關(guān) (ZVS) 的連續(xù)傳導(dǎo)模式似乎能夠解決非連續(xù)性和連續(xù)性工作模式的有關(guān)問題。尤其是當(dāng)系統(tǒng)在連續(xù)性模式下工作時，將使 rms 電流下降。然而，只要增加一些電路，在傳統(tǒng)的連續(xù)性工作模式中對加在升壓二極管并引起 EMI 的反向恢復(fù)電流就能夠降低。圖 10 例示了這種方案的基本電路。

圖10  具有零電壓開關(guān) (ZVS) 連續(xù)傳導(dǎo)模式的基本電路
基本上，控制器在 Q1 導(dǎo)通之前就會激活 ZVS FET。這個行動控制了 D1 的關(guān)斷，并顯著降低了開關(guān)損耗。PFC FET 的激活將隨之進行。通過這種方案可以實現(xiàn)更軟的轉(zhuǎn)換，但代價是復(fù)雜性更高、元件數(shù)目更多。這方案也降低了開關(guān)損耗和EMI。而飛兆半導(dǎo)體采用這種拓撲的控制器是 FAN4822。
待機功率、總體效率及功率因數(shù)校正僅是目前針對電子產(chǎn)品而設(shè)的一些規(guī)范。隨著環(huán)保意識日漸加強及礦物燃料供應(yīng)減少，全球各個國家的政府機關(guān)都將繼續(xù)提出強制性的方案，務(wù)求電子產(chǎn)品生產(chǎn)商必須提高其產(chǎn)品的能源效率。而半導(dǎo)體企業(yè)的任務(wù)是繼續(xù)與這些產(chǎn)品生產(chǎn)商合作，推出創(chuàng)新富革命性的部件，使到產(chǎn)品的價格會保持在普通消費者可接受的水平之內(nèi)。