在中國電子整機企業推進綠色采購、綠色制造和綠色設計以迎接RoHS等環保指令挑戰的過程中，包括中國在內的世界多國出臺了要求更趨嚴格的節能法規，使得中國企業在設計“綠色電源”、進行節能降耗方面面臨著更大的壓力。特別是隨著越來越多的中國產品出口海外，滿足歐美等地的電源規范標準變得愈加重要，電子設備制造廠商除了需要更注重產品的種種新的特色功能，還需要更加關注產品的電源管理和節能特色。與此相應的，各種節電技術不斷涌現，更高性能的IC解決方案紛紛問世，從而使中國廠商采用能夠滿足苛刻法規要求的綠色電源成為可能。
全球節能，法規先行
為了并推廣高效率節能產品，并方便消費者區分，全球多個國家和地區紛紛發布了各種節能規范，例如“能源之星”認證項目、美國加州能源委員會(CEC)、歐盟行為準則、歐洲高能效電器組織(GEEA)，均把節能放在環保的重要一環。歐洲今年開始執行由GEEA發出的能源標簽，中國在2006年3月實施的節能評價值指標為待機能耗3W，能效指數為1.1；2009年3月1日實施的節能評價值為待機能耗1W，能效指數為0.75。
對于上述全球的各種節能法規，Power Integrations(PI)公司市場部副總裁Doug Bailey認為目前有兩種方式定義能源效率標準：1)規定電源效率；2)規定固定功能所允許的總功耗。
1)規定電源效率-－這種方式一般用于易于測量的外部電源。通過測量輸入功率和輸出功率，來計算從AC轉換到低壓DC過程中功率的損失值。今年7月1日開始強制實施的CEC規范就是一個很好的例子。這種標準非常有用，因為不管向什么設備供電都可以規定供給效率。但這種標準的弱點是功率仍可能被電子設備所浪費。
2)總功耗預算法最適合固定性能設備的應用。許多公司都制造類似產品，例如一個17寸的電腦顯示器或者一臺DVD播放器，它們的工作方法實質大都相同。因此，制定規范的人認為這種定義方式能限制能量使用，有助于嘉獎最高效的設計或者懲戒最低效的設計。這些標準為設計工程師提供了最靈活的設計空間，因為它可以選擇設備滿足效率標準的方式。設計師可以使用一個更有效的電源或者可以減少某些性能，增加一個電源管理芯片，或者使用一個效率更高的CPU，或者做出其它方面的權衡取舍。
積極制定和推廣產品能源效率標準、開展節能產品認證是提高能源利用效率的有效途徑。各種環保和節能政策給中國的電子制造商帶來了挑戰和壓力，但同時也促使了電源產品向更節能的方向蓬勃發展。
節能法規與環保趨勢，共同推動電源向更高效發展
為了設計出更節電的系統，飛兆公司應用工程師Carl Walding建議，在開始設計前，設計師應該從全局出發、仔細研究如何進行功率劃分，并決定應當采取什么步驟。這些研究應該包含成本和性能之間的權衡取舍。
具體對于節能電源的設計，不論是外部電源，還是設備內部電源電路，業界公認應該從兩個方面著手考慮：首先，它必須擁有非常高的轉換效率；其次，無論是在待機模式還是在停機模式中，它都必須具有低靜態電流。“這兩方面需求特性多年前就在電池供電的手持式設備領域中得到人們的認識。”凌特公司電源產品部產品市場經理Tony Armstrong指出，“然而，在電信和網絡系統以及各種家電中，兼具高轉換效率和低靜態電流的IC才開始普及。”
面對節電設計挑戰，業界在以下三方面進行了不懈的努力。
1.采用多種技術，顯著提升開關電源轉換效率
銅、鐵和人力成本的增加，外加世界各地的功率標準，線性電源生存處境變得艱難。于是曾出現一次巨大的飛躍--線性電源向開關模式電源的轉換，電源平均效率從50％提高到80％。之后，由于開關電源自身的開關損耗，進一步的效率提升變得困難。目前，業界通過努力開發更復雜的控制算法，使系統在應對不同環境時改變運行模式，將效率提升到90％以上。當然，這其中也在傳統模擬電源系統中引入了更多的數字電路技術。
在提高電源工作效率方面，業界廣泛利用有源鉗位、同步整流、諧振模式等拓撲結構，一些新的設計思路及解決方案由此產生。例如安森美將有源鉗位用于主電源轉換電路中，用有源鉗位電路取代傳統的復位線圈來執行變壓器的復位動作。其產品NCP1280和NCP1562有源鉗位電路控制器具有的軟開關能力及其它獨特性能，提高了功率段的效率。
過去同步整流技術大多是用在電信交換機等高功率大型設備的電源上，但近年來隨著一般PC或消費電子產品對低電壓、大電流需求不斷升高，業內紛紛舍棄功耗較大的肖特基二極管整流，改用同步整流MOSFET以降低功耗。但在100W到300W的反擊電路中，由于同步整流MOSFET的極性轉換感應需要很高的反向電流，傳統的變壓器控制電路復雜、笨重、還浪費能量。針對此問題，國際整流器(IR)公司的智能整流IC IR1167能直接感測同步整流MOSFET的電壓門限值，實現了快速準確的控制，使功耗降至最低。另外，該IC還能提升1%的整體系統效率，把MOSFET溫升減少10度。
準諧振技術是提升電源效率、減小由經典反激電源產生EMI的良好解決方案。UCC28600是TI公司一款8引腳準諧振控制器，能夠顯著提升消費類電子系統與AC電源適配器的能量效率。該款反激PWM器件不僅可在輕負載條件下實施準諧振控制技術與頻率返送操作，而且還采用專用引腳，以禁用待機工作下的功率因數校正(PFC)級。此外，UCC28600還針對高達200W的低能耗電源集成了各種高級保護功能，其中包括逐周期電源限制與過電流打嗝重啟模式。UCC28600可使高清電視、LCD與等離子數字電視中待機電源在有效功率模式下的效率超過88%，而無負載功耗級別不到300mW。
2.注重待機功耗，減少看不見的功率流失
對于想要出口歐美等地的中國OEM和EMS廠商，滿足國際強制執行的待機功耗法規非常重要。中國中標認證中心(CECP)也在產品能效和待機認證方面設立了標準。例如，全球范圍內倡議待機功耗低于1W；歐盟提議充電器的待機功耗低于0.1W，現遵從IEA 0.3W建議。在這方面，業界通常采用跳周期模式、軟跳周期模式、減少切換開關頻率模式以及脈沖模式等技術來降低待機能耗。
一般多數電源控制器需要一定的能量來運行和管理它們的開關和控制功能，這意味著在低功耗或者待機模式下，它們非常低效而且在某些情況下無法滿足待機功耗1W的要求。PI新的PeakSwitch產品只需要非常低的運行功耗，能進行有效的開關控制同時擁有適應性的電流限制。這樣從300%“峰值”模式功率到低至1W以下待機功率，它都能產生一個“恒定效率”的曲線。并且在100倍的輸出功率范圍內很容易獲得82%-85%的轉換效率。
對控制MOSFET開關的IC的供電也有兩種設計選擇。“典型的反激AC/DC轉換電源需要一塊IC，通過反饋信號來驅動開關MOSFET以達到能量的轉換。對于這塊IC的供電，設計者一般有兩種選擇-他可以從主電源上為此IC供電或者從所謂的變壓器‘偏置繞組’的輔助電源為IC供電。這種從主電源抽取電流的缺點是從高壓上獲得固定的電流而造成能量浪費。偏置繞組方法的缺點是額外的線圈增加了成本和電路的復雜度。”PI公司的Bailey介紹，“PI的新產品TinySwitch-Ⅲ則只需要很小的電流，就能直接從整流后的主電源獲得能量而不需要一個偏置繞組，卻仍然滿足全球的效率和待機功耗標準。”他認為，去除偏置繞組的是未來電源發展的關鍵技術之一。
傳統上的開關模式通常采用功率MOSFET作為主要開關元件，但中國本土企業的自主研發改變了這一概念。南京通華芯微電子的TH101采用經濟型三極管為待機電源的開關管，同時利用其放大作用完成啟動，能將啟動電阻的功耗減少10倍以上。“近年來，業內每年都有新的芯片出現，但在技術上的突破并不大，如果在市場的表現不好，就會自生自滅。”南京通華芯微電子公司總工程師陳衛斌介紹道，“通華芯是第一個將功率三極管集成到電源控制芯片內的公司，采用專利技術能及時防范過載、開關變壓器飽和輸出短路等故障。因此在技術性能相近的前提下，產品價格則非常好，而歐美大公司的同類產品都是采用MOSFET管做開關管，價格自然就高。”
3. 抑制諧波污染，PFC控制電路讓電網更純凈
除了增加轉換效率、減少待機功耗，隨著電子技術的發展和電子設備的廣泛應用，電網中的諧波污染日益嚴重，給電網帶來額外負擔并影響供電質量。電源由于內部阻抗特性，其功率因數非常低，提高輸入功率因數的研究成為電源產品綠色概念的重大課題，也是大多數國家解決電力供應不足的關鍵所在。
目前提高功率因數的方法一般分為無源PFC和有源PFC兩大類型，其中有源PFC是通過在電網和電源裝置之間串聯插入PFC裝置降低諧波。在有源PFC控制芯片中，通常采用的方法有平均電流控制法、峰值電流控制法以及電流滯環控制法等。很多采用了有源PFC電路的電源產品，電源的功率因數可提高到0.99，并且對濾波電容的要求非常低。
以PC為例，為滿足IEC 1000-3-2標準，不給交流線路中注入諧波，電源的前端需要PFC控制電路。PFC在ATX電源中的應用也經歷了從無到有，從無源PFC到有源PFC的演變過程。3C規范中規定電腦電源必須使用PFC電路。在決定采用何種PFC控制電路降低諧波時，需要考慮PFC級的引入對系統其余部分的影響，否則將難以滿足整個電源系統的待機功率和工作狀態功率要求。
除了提高電源的功率因數，PFC控制器本身功耗也應加以注意。飛兆推出以臨界導通模式工作的有源PFC控制器FAN7528。與傳統的臨界導通模式PFC控制器不同，FAN7528集成了雙輸出控制功能，提高了全電壓輸入情況下的效率。這種集成功能可以去掉PFC不需要的AC電壓整流后的檢測，因此與同類器件相比，可顯著降低某些適配器應用中的待機功耗。由于無需輸入電壓感測網絡，FAN7528較之其它需要感測輸入電壓的控制器，可將系統功耗削減80mW。除了低功耗外，FAN7528還集成了反饋開路時使IC失效的功能(僅消耗65μA)，提供防止破壞性能量沖擊的系統保護能力。
全球節能，法規先行
為了并推廣高效率節能產品，并方便消費者區分，全球多個國家和地區紛紛發布了各種節能規范，例如“能源之星”認證項目、美國加州能源委員會(CEC)、歐盟行為準則、歐洲高能效電器組織(GEEA)，均把節能放在環保的重要一環。歐洲今年開始執行由GEEA發出的能源標簽，中國在2006年3月實施的節能評價值指標為待機能耗3W，能效指數為1.1；2009年3月1日實施的節能評價值為待機能耗1W，能效指數為0.75。
對于上述全球的各種節能法規，Power Integrations(PI)公司市場部副總裁Doug Bailey認為目前有兩種方式定義能源效率標準：1)規定電源效率；2)規定固定功能所允許的總功耗。
1)規定電源效率-－這種方式一般用于易于測量的外部電源。通過測量輸入功率和輸出功率，來計算從AC轉換到低壓DC過程中功率的損失值。今年7月1日開始強制實施的CEC規范就是一個很好的例子。這種標準非常有用，因為不管向什么設備供電都可以規定供給效率。但這種標準的弱點是功率仍可能被電子設備所浪費。
2)總功耗預算法最適合固定性能設備的應用。許多公司都制造類似產品，例如一個17寸的電腦顯示器或者一臺DVD播放器，它們的工作方法實質大都相同。因此，制定規范的人認為這種定義方式能限制能量使用，有助于嘉獎最高效的設計或者懲戒最低效的設計。這些標準為設計工程師提供了最靈活的設計空間，因為它可以選擇設備滿足效率標準的方式。設計師可以使用一個更有效的電源或者可以減少某些性能，增加一個電源管理芯片，或者使用一個效率更高的CPU，或者做出其它方面的權衡取舍。
積極制定和推廣產品能源效率標準、開展節能產品認證是提高能源利用效率的有效途徑。各種環保和節能政策給中國的電子制造商帶來了挑戰和壓力，但同時也促使了電源產品向更節能的方向蓬勃發展。
節能法規與環保趨勢，共同推動電源向更高效發展
為了設計出更節電的系統，飛兆公司應用工程師Carl Walding建議，在開始設計前，設計師應該從全局出發、仔細研究如何進行功率劃分，并決定應當采取什么步驟。這些研究應該包含成本和性能之間的權衡取舍。
具體對于節能電源的設計，不論是外部電源，還是設備內部電源電路，業界公認應該從兩個方面著手考慮：首先，它必須擁有非常高的轉換效率；其次，無論是在待機模式還是在停機模式中，它都必須具有低靜態電流。“這兩方面需求特性多年前就在電池供電的手持式設備領域中得到人們的認識。”凌特公司電源產品部產品市場經理Tony Armstrong指出，“然而，在電信和網絡系統以及各種家電中，兼具高轉換效率和低靜態電流的IC才開始普及。”
面對節電設計挑戰，業界在以下三方面進行了不懈的努力。
1.采用多種技術，顯著提升開關電源轉換效率
銅、鐵和人力成本的增加，外加世界各地的功率標準，線性電源生存處境變得艱難。于是曾出現一次巨大的飛躍--線性電源向開關模式電源的轉換，電源平均效率從50％提高到80％。之后，由于開關電源自身的開關損耗，進一步的效率提升變得困難。目前，業界通過努力開發更復雜的控制算法，使系統在應對不同環境時改變運行模式，將效率提升到90％以上。當然，這其中也在傳統模擬電源系統中引入了更多的數字電路技術。
在提高電源工作效率方面，業界廣泛利用有源鉗位、同步整流、諧振模式等拓撲結構，一些新的設計思路及解決方案由此產生。例如安森美將有源鉗位用于主電源轉換電路中，用有源鉗位電路取代傳統的復位線圈來執行變壓器的復位動作。其產品NCP1280和NCP1562有源鉗位電路控制器具有的軟開關能力及其它獨特性能，提高了功率段的效率。
過去同步整流技術大多是用在電信交換機等高功率大型設備的電源上，但近年來隨著一般PC或消費電子產品對低電壓、大電流需求不斷升高，業內紛紛舍棄功耗較大的肖特基二極管整流，改用同步整流MOSFET以降低功耗。但在100W到300W的反擊電路中，由于同步整流MOSFET的極性轉換感應需要很高的反向電流，傳統的變壓器控制電路復雜、笨重、還浪費能量。針對此問題，國際整流器(IR)公司的智能整流IC IR1167能直接感測同步整流MOSFET的電壓門限值，實現了快速準確的控制，使功耗降至最低。另外，該IC還能提升1%的整體系統效率，把MOSFET溫升減少10度。
準諧振技術是提升電源效率、減小由經典反激電源產生EMI的良好解決方案。UCC28600是TI公司一款8引腳準諧振控制器，能夠顯著提升消費類電子系統與AC電源適配器的能量效率。該款反激PWM器件不僅可在輕負載條件下實施準諧振控制技術與頻率返送操作，而且還采用專用引腳，以禁用待機工作下的功率因數校正(PFC)級。此外，UCC28600還針對高達200W的低能耗電源集成了各種高級保護功能，其中包括逐周期電源限制與過電流打嗝重啟模式。UCC28600可使高清電視、LCD與等離子數字電視中待機電源在有效功率模式下的效率超過88%，而無負載功耗級別不到300mW。
2.注重待機功耗，減少看不見的功率流失
對于想要出口歐美等地的中國OEM和EMS廠商，滿足國際強制執行的待機功耗法規非常重要。中國中標認證中心(CECP)也在產品能效和待機認證方面設立了標準。例如，全球范圍內倡議待機功耗低于1W；歐盟提議充電器的待機功耗低于0.1W，現遵從IEA 0.3W建議。在這方面，業界通常采用跳周期模式、軟跳周期模式、減少切換開關頻率模式以及脈沖模式等技術來降低待機能耗。
一般多數電源控制器需要一定的能量來運行和管理它們的開關和控制功能，這意味著在低功耗或者待機模式下，它們非常低效而且在某些情況下無法滿足待機功耗1W的要求。PI新的PeakSwitch產品只需要非常低的運行功耗，能進行有效的開關控制同時擁有適應性的電流限制。這樣從300%“峰值”模式功率到低至1W以下待機功率，它都能產生一個“恒定效率”的曲線。并且在100倍的輸出功率范圍內很容易獲得82%-85%的轉換效率。
對控制MOSFET開關的IC的供電也有兩種設計選擇。“典型的反激AC/DC轉換電源需要一塊IC，通過反饋信號來驅動開關MOSFET以達到能量的轉換。對于這塊IC的供電，設計者一般有兩種選擇-他可以從主電源上為此IC供電或者從所謂的變壓器‘偏置繞組’的輔助電源為IC供電。這種從主電源抽取電流的缺點是從高壓上獲得固定的電流而造成能量浪費。偏置繞組方法的缺點是額外的線圈增加了成本和電路的復雜度。”PI公司的Bailey介紹，“PI的新產品TinySwitch-Ⅲ則只需要很小的電流，就能直接從整流后的主電源獲得能量而不需要一個偏置繞組，卻仍然滿足全球的效率和待機功耗標準。”他認為，去除偏置繞組的是未來電源發展的關鍵技術之一。
傳統上的開關模式通常采用功率MOSFET作為主要開關元件，但中國本土企業的自主研發改變了這一概念。南京通華芯微電子的TH101采用經濟型三極管為待機電源的開關管，同時利用其放大作用完成啟動，能將啟動電阻的功耗減少10倍以上。“近年來，業內每年都有新的芯片出現，但在技術上的突破并不大，如果在市場的表現不好，就會自生自滅。”南京通華芯微電子公司總工程師陳衛斌介紹道，“通華芯是第一個將功率三極管集成到電源控制芯片內的公司，采用專利技術能及時防范過載、開關變壓器飽和輸出短路等故障。因此在技術性能相近的前提下，產品價格則非常好，而歐美大公司的同類產品都是采用MOSFET管做開關管，價格自然就高。”
3. 抑制諧波污染，PFC控制電路讓電網更純凈
除了增加轉換效率、減少待機功耗，隨著電子技術的發展和電子設備的廣泛應用，電網中的諧波污染日益嚴重，給電網帶來額外負擔并影響供電質量。電源由于內部阻抗特性，其功率因數非常低，提高輸入功率因數的研究成為電源產品綠色概念的重大課題，也是大多數國家解決電力供應不足的關鍵所在。
目前提高功率因數的方法一般分為無源PFC和有源PFC兩大類型，其中有源PFC是通過在電網和電源裝置之間串聯插入PFC裝置降低諧波。在有源PFC控制芯片中，通常采用的方法有平均電流控制法、峰值電流控制法以及電流滯環控制法等。很多采用了有源PFC電路的電源產品，電源的功率因數可提高到0.99，并且對濾波電容的要求非常低。
以PC為例，為滿足IEC 1000-3-2標準，不給交流線路中注入諧波，電源的前端需要PFC控制電路。PFC在ATX電源中的應用也經歷了從無到有，從無源PFC到有源PFC的演變過程。3C規范中規定電腦電源必須使用PFC電路。在決定采用何種PFC控制電路降低諧波時，需要考慮PFC級的引入對系統其余部分的影響，否則將難以滿足整個電源系統的待機功率和工作狀態功率要求。
除了提高電源的功率因數，PFC控制器本身功耗也應加以注意。飛兆推出以臨界導通模式工作的有源PFC控制器FAN7528。與傳統的臨界導通模式PFC控制器不同，FAN7528集成了雙輸出控制功能，提高了全電壓輸入情況下的效率。這種集成功能可以去掉PFC不需要的AC電壓整流后的檢測，因此與同類器件相比，可顯著降低某些適配器應用中的待機功耗。由于無需輸入電壓感測網絡，FAN7528較之其它需要感測輸入電壓的控制器，可將系統功耗削減80mW。除了低功耗外，FAN7528還集成了反饋開路時使IC失效的功能(僅消耗65μA)，提供防止破壞性能量沖擊的系統保護能力。
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來源：電源網
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本文鏈接：節能法規鞭策電源設計，IC方案上演性能
http:m.mangadaku.com/news/2006-7/200673110435.html
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文章標簽： 電源設計
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