高能效電源的設(shè)計(jì)指南
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能效規(guī)范引導(dǎo)高能效電源設(shè)計(jì)方向
在今天，各國政府也都在大力倡導(dǎo)能源的可持續(xù)發(fā)展，提出了各種環(huán)保指令。在能效規(guī)范和環(huán)保意識的推動下，電源市場正在發(fā)生巨大的變化。據(jù)最新調(diào)查指出，最大的需求來自計(jì)算機(jī)電源，其次是液晶電視、電子鎮(zhèn)流器、適配器電源。隨著計(jì)算機(jī)、液晶電視、筆記本電腦市場的持續(xù)發(fā)展，對于這些產(chǎn)品的高能效電源的需求也在與日俱增。
此外，世界各地的政府機(jī)構(gòu)和行業(yè)組織都紛紛制定相應(yīng)的能耗規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，除了“80 PLUS”，業(yè)界還對計(jì)算機(jī)電源提出了更新的節(jié)能要求。近幾年，計(jì)算產(chǎn)業(yè)氣候拯救行動(CSCI)提出了更高的節(jié)能要求，也就是計(jì)算機(jī)電源在20%、50% 和100%負(fù)載條件下要達(dá)到80%或更高的能效標(biāo)準(zhǔn)和要求。另外，美國于08年推出的“能源之星”電視產(chǎn)品3.0版規(guī)范以及“能源之星”外部電源2.0版規(guī)范和09年推出的“能源之星” （ENERGY STAR?） 計(jì)算機(jī)5.0版規(guī)范也是旨在提高設(shè)備對電能的利用率。能效規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的日益普及要求、所有操作模式的電源轉(zhuǎn)換具備更高的能效，其中包括降低待機(jī)（空載）能耗、提升電源工作效率、采用功率因數(shù)校正（PFC）或減少諧波。
實(shí)例說明電源設(shè)計(jì)中改善電路段能效的方法
在一個(gè)電源設(shè)計(jì)中，能效規(guī)范對電路段的挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在PFC能效、主轉(zhuǎn)換器能效和次級能效幾個(gè)方面。要提高這幾個(gè)方面的能效，就必須改善如圖1所示電路紅色框中的元件性能。以下將介紹改善電路段能效的幾種方法。
圖1. 改善圖中紅色框元件的性能就可以提升能效。
1.改善PFC能效
改善PFC能效的目標(biāo)是為了實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正短的效率達(dá)到96%以上。采用無橋PFC（圖2a）可以減少橋損耗，采用交錯式PFC（圖2b）可以滿足較高功率應(yīng)用的要求，以提升PFC能效。此外，還可以利用IC技術(shù)減少開關(guān)損耗，并利用更優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來減少EMI濾波器損耗。
采用安森美半導(dǎo)體的NCP1605高能效待機(jī)模式PFC控制器就可以提高PFC輕載能效，進(jìn)一步降低損耗。該器件采用高壓電流源，外部設(shè)定固定開關(guān)頻率，并可工作在DCM/CRM模式；可以在待機(jī)條件下軟跳周期（Soft-SkipTM）工作；PFC就緒信號可以進(jìn)行快速線路/負(fù)載瞬態(tài)補(bǔ)償；谷底導(dǎo)通可實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)和欠壓保護(hù)；同時(shí)還具備輸入欠壓檢測、平滑啟動的軟啟動、過流限制和閂鎖功能。
2. 改善主轉(zhuǎn)換器段能效
要提高主轉(zhuǎn)換器能效可以采用以下幾種方法。一是通過降低導(dǎo)通阻抗（開關(guān)損耗較高）和/或減小初級峰值電流和均方根電流來降低初級導(dǎo)通損耗；二是考慮采用軟開關(guān)技術(shù)降低開關(guān)損耗；三是通過減少整流器壓降（使用低正向壓降二極管或FET整流器）來降低次級損耗；四是采用更好的磁芯材料來降低磁芯損耗。表1列出了主要軟開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可供設(shè)計(jì)時(shí)參考。
表1. 主要軟開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)
改善次級能效
同步降壓轉(zhuǎn)換器是提高能效的好方案，采用DC-DC軟開關(guān)技術(shù)可以進(jìn)一步提升能效。安森美半導(dǎo)體的NCP4302同步降壓控制器的滿載能效比肖特基二極管高2.5%；而NCP4331后穩(wěn)壓器則比傳統(tǒng)磁放大器的能效高7%，都可以為次級能效的提升做出貢獻(xiàn)。
高能效電源產(chǎn)品應(yīng)用實(shí)例預(yù)覽：
為了給大家更詳細(xì)地、更系統(tǒng)地講解高能效電源設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)內(nèi)容，我們會在接下來幾講的內(nèi)容中為大家提供了幾種典型的高效電源參考設(shè)計(jì)，包括滿足個(gè)人電腦電源能效趨勢以及提升液晶電視能效方面的要求上的內(nèi)容，還將為大家講述太陽能充電控制器設(shè)計(jì)和高能效智能電表電源方案。
1．筆記本電腦電源適配器設(shè)計(jì)
伴隨著越來越多的筆記本用戶要求高性能、小尺寸或低重量的筆記本，同時(shí)價(jià)格適宜。對于電源適配器設(shè)計(jì)人員而言，就要選擇適合的控制器，用于開發(fā)高能效、集成豐富保護(hù)特性、尺寸小巧的適配器。從大多數(shù)用戶的使用情況來看，筆記本電腦有相當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)會處在輕載或待機(jī)條件下。與提高 25%、50%、75%或 100%負(fù)載條件下的能效相比，降低極低負(fù)載條件甚至是待機(jī)條件下的能耗及提升能效更具挑戰(zhàn)性。這就要求電源控制器具備極佳的輕載或待機(jī)能耗性能。
在第二講的內(nèi)容我們將會為大家講解采用NCP1250/NCP1251反激控制器制作出符合筆記本電腦電源適配器要求的設(shè)計(jì)實(shí)例。由于NCP1250/1是集成了應(yīng)用高密度電源適配器所需的關(guān)鍵特性，如非耗散型過功率保護(hù)、能夠應(yīng)用過溫保護(hù)、小封裝(TSOP6)及 Vcc 引腳過壓保護(hù)(OVP)(僅 NCP1251)等。NCP1250/1 在提供高工作能效的同時(shí)，通過采用頻率反走技術(shù)及跳周期模式，在輕載或待機(jī)模式下的能耗極低，從而能夠在完整負(fù)載范圍內(nèi)提供高能效。
2．臺式計(jì)算機(jī)、平板電視的高效能電源控制器方案
計(jì)算機(jī)、服務(wù)器及平板電視向來是能效規(guī)范機(jī)構(gòu)的重要目標(biāo)，這些設(shè)備必須在滿足高性能的同時(shí)符合最新能效要求。在第三講的內(nèi)容我們將介紹應(yīng)用于計(jì)算機(jī)ATX電源及平板電視的高能效、高性能功率因數(shù)校正(PFC)及半橋諧振雙電感加單電容(LLC)組合控制器NCP1910的主要特性及電源段的應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)，幫助工程師更好地采用NCP1910進(jìn)行相關(guān)的電源設(shè)計(jì)。
3．高能效太陽能充電控制器設(shè)計(jì)
第四講將為大家介紹一款太陽能電池控制器NCP1294，用來實(shí)現(xiàn)太陽能電池板的最大峰值功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），以最高能效為蓄電池充電。由于NCP1294 是一款固定頻率電壓模式 PWM 前饋控制器，包含電壓模式運(yùn)作所需的所有基本功能。作為支持降壓、升壓、降壓-升壓及反激等不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的充電控制器，NCP1294針對高頻初級端控制操作進(jìn)行了優(yōu)化，具有逐脈沖限流及雙向同步功能，支持功率最高140 W 的太陽能板。這款器件提供的 MPPT功能能夠定位最大功率點(diǎn)，并實(shí)時(shí)根據(jù)環(huán)境條件來調(diào)節(jié)，使控制器保持接近最大功率點(diǎn)，從而從太陽能板析取最大的電量，提供最佳的能效。
4. 高能效智能電表電源方案
從智能電表的組成來看，主要包括通信、電源及電源管理、計(jì)量及存儲等功能模塊。就電源及電源管理模塊而言，第四講的內(nèi)容將為大家提供包括高壓交流-直流(AC-DC)開關(guān)穩(wěn)壓器、直流-直流(DC-DC)開關(guān)穩(wěn)壓器/控制器和低壓降(LDO)線性穩(wěn)壓器等設(shè)計(jì)方案，以方便讀者根據(jù)具體應(yīng)用選擇適合的方案。這些電源方案具有高能效、低能耗及豐富保護(hù)特性等特點(diǎn)，將會成為是智能電表未來的發(fā)展趨勢之一。
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