新節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)下的電源設(shè)計(jì)趨勢(shì)談

    如果說最近幾年電源產(chǎn)品已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)步，恐怕一點(diǎn)也不過分。效率已經(jīng)接近極限，功率管理更加精密，體積也越來越小…….但這夠了嗎？所看到的現(xiàn)狀卻是，人們對(duì)電源系統(tǒng)需求的迫切度有增無減！

    實(shí)際上對(duì)電源系統(tǒng)的壓力來自正反兩方面。一方面，消費(fèi)者希望在設(shè)備中集成越來越多的功能，況且體積還越來越小，這就要求電源以更小的體積提供更多的能量。但另一方面，滾滾熱浪席卷全球，全球氣候變暖已開始讓人們不得不認(rèn)真對(duì)待。這就反過來要求電源系統(tǒng)提供更高的能量利用效率。

    為了解決或者說是減緩面臨的問題，國(guó)際上頒布了許多有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，如國(guó)際能源署“1W計(jì)劃”，美國(guó)新版能源之星，美國(guó)80 PLUS等。隨著這些新標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，電源設(shè)計(jì)的未來趨勢(shì)將怎樣？

需要新技術(shù)來應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

    新技術(shù)一直是應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的主要手段。然而不同公司采取了不同的側(cè)重技術(shù)。

    “凌力爾特公司一直在低靜態(tài)電流方面下功夫，我們?cè)诤芏嚯娫垂芾砑�成電路中納入了突發(fā)模式(Burst Mode)技術(shù)，這種技術(shù)最大限度地降低了在備用模式時(shí)集成電路自身需要的電流。”該公司電源產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Tony Armstrong介紹道。突發(fā)模式的本質(zhì)是，當(dāng)通過VC引腳電壓檢測(cè)到所需開關(guān)電流低于編程電流值的規(guī)定值時(shí)，突發(fā)模式啟動(dòng)。在突發(fā)間隔中，開關(guān)停止動(dòng)作，除Vcc穩(wěn)壓器、誤差放大器和帶隙基準(zhǔn)以外，集成電路內(nèi)部所有功能都被禁止，見圖1。利用這種模式，在很多情況下，可以靜態(tài)電流低到了10uA至20uA。適用于手持設(shè)備的LTC3548和LTC3410，適合于無線設(shè)備、便攜式計(jì)算機(jī)的LTC3801以及適合于數(shù)字設(shè)備、汽車系統(tǒng)和分布式直流電源系統(tǒng)LTC3827都是這類具有低靜態(tài)電流的產(chǎn)品。

    同樣是為了降低待機(jī)模式的能耗，安森美半導(dǎo)體則側(cè)重于其他技術(shù)，如跳周期待機(jī)模式、PWM控制器主控PFC(輕載時(shí)關(guān)斷PFC以降低待機(jī)能耗)。除此之外，將諸多新技術(shù)和功能集成芯片內(nèi)部，如DDS(動(dòng)態(tài)自供電)、頻率抖動(dòng)、Soxyless(無線圈去磁檢測(cè))等，可起到簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)作用，也相應(yīng)減少了功率損耗。該公司的中國(guó)區(qū)電源管理產(chǎn)品高級(jí)工程師于輝介紹說，“利用以上技術(shù)最近我們陸續(xù)推出了最新研制的電流型PWM控制器NCP1271、準(zhǔn)諧振控制器NCP1337以及半橋諧振控制器NCP1396和有源鉗位控制器NCP1282等電源管理芯片。這些產(chǎn)品是基于安森美半導(dǎo)體多年來在電源領(lǐng)域豐富經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，并且針對(duì)客戶實(shí)際應(yīng)用所需開發(fā)研制而成的。非常適用于適配器、臺(tái)式機(jī)以及液晶電視等產(chǎn)品的電源應(yīng)用。”

    為了滿足美國(guó)最新標(biāo)準(zhǔn)80 PLUS的要求，不少電源廠商，采用的是分別針對(duì)幾個(gè)負(fù)載點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，這樣做雖然可以滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，但卻給用戶的使用帶來一些限制，因?yàn)橛脩魺o法在實(shí)用中確保工作在最佳工作點(diǎn)上。所以，還有待于開發(fā)新的動(dòng)態(tài)負(fù)載技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更多負(fù)載點(diǎn)甚至是連續(xù)動(dòng)態(tài)負(fù)載上的高效率。

圖1：凌力爾特的LTC3801采用突發(fā)模式將靜態(tài)電流降至10至20uA。

不同類型產(chǎn)品趨勢(shì)有異

    在很多大功率系統(tǒng)中，空間和冷卻系統(tǒng)的成本都很高。因此，就任何POL轉(zhuǎn)換器而言，做到緊湊、高效率并具有低靜態(tài)電流以滿足新的“綠色”標(biāo)準(zhǔn)都是極端重要的。另外，很多微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)都需要一個(gè)內(nèi)核電源和一個(gè)輸入/輸出(I/O)電源，這些電源在啟動(dòng)時(shí)必須排序。“設(shè)計(jì)師們必須考慮加電和斷電操作時(shí)內(nèi)核和I/O電壓源的相對(duì)電壓和時(shí)序，以符合制造商的性能規(guī)格要求。沒有恰當(dāng)?shù)碾娫磁判颍�就可能出現(xiàn)閉鎖或過大的電流消耗，這有可能導(dǎo)致微處理器I/O端口損壞，或存儲(chǔ)器、可編程邏輯器件(PLD)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等支持性器件的I/O端口損壞”，Tony Armstrong說道。他還認(rèn)為，在高性能、大功率電源設(shè)計(jì)不斷需要更多功率的同時(shí)，它們?cè)诳捎秒娐钒蹇臻g上卻越來越受到限制。此外，功率密度給電源設(shè)計(jì)師帶來了極大的挑戰(zhàn)，不管設(shè)計(jì)師是否具有經(jīng)驗(yàn)都一樣。一般情況下，要求這些電源設(shè)計(jì)具有高于90%的轉(zhuǎn)換率，以限制電源的功耗和溫度。因此，電源設(shè)計(jì)的熱性能尤其重要，因?yàn)橹挥泻苄〉目臻g用來散出DC/DC電源轉(zhuǎn)換損耗和有限的空氣流動(dòng)產(chǎn)生的熱量。

    而對(duì)于便攜式系統(tǒng)，似乎對(duì)電源產(chǎn)品提出了的挑戰(zhàn)更嚴(yán)峻。陳經(jīng)祥認(rèn)為，今后的電源產(chǎn)品除了對(duì)效率等指標(biāo)需要注重以外，還必須注重成本、效率及體積和重量彼此關(guān)聯(lián)的綜合特性。為了適應(yīng)這些需求，這就要求設(shè)計(jì)者在制造工藝，電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)應(yīng)用等方面擁有更全方位和更高端的技術(shù)。于輝則認(rèn)為，為了應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，首先就是電源管理芯片功能的高度集成化。如前所述電子類產(chǎn)品正向著輕便多功能方向發(fā)展，電源部分不但效率要高，而且要提供保護(hù)等功能；其次開發(fā)適合新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的芯片實(shí)現(xiàn)節(jié)能。他說：“很多新的節(jié)能方式需要專用芯片來實(shí)現(xiàn)。此類新結(jié)構(gòu)的電源管理技術(shù)也是未來研究的重要領(lǐng)域；再就是電源控制技術(shù)的提高。為了更加精確實(shí)現(xiàn)對(duì)電源性能的控制，電源管理芯片有時(shí)會(huì)配合系統(tǒng)工作，如MCU可以向電源管理芯片發(fā)出信號(hào)觸發(fā)待機(jī)等。”針對(duì)以上發(fā)展方向，對(duì)于半導(dǎo)體制造商來說集中的挑戰(zhàn)在于不斷開拓新的技術(shù)領(lǐng)域，提供效率更高、功能更強(qiáng)大、待機(jī)損耗更低的電源產(chǎn)品。同時(shí)，在保證優(yōu)異性能的前提下，更要注重環(huán)保和降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本才可以提供競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)大的產(chǎn)品為未來大規(guī)模生產(chǎn)提供充分的保障。

效率是電源設(shè)計(jì)技術(shù)永恒的追求

    我不時(shí)聽到一種說法，就是現(xiàn)在的電源技術(shù)中，效率已經(jīng)基本達(dá)到了極限，更多的努力已經(jīng)沒有太多的意思了。面對(duì)這種說法，來自各廠商的專家則不全認(rèn)同。Tony Armstrong認(rèn)為：就利用DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換的效率而言，目前尚未走到盡頭。特別是在大功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中。他介紹說：目前僅在支撐互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器運(yùn)行方面、由于傳送成百上千萬份YouTube視頻以及海量的數(shù)據(jù)，就需要大量的功耗。每年僅保持Google、微軟、雅虎等互聯(lián)網(wǎng)巨擘的數(shù)據(jù)中心運(yùn)轉(zhuǎn)所需的電量就相當(dāng)于14個(gè)1000MW的發(fā)電廠發(fā)出的電量。況且這種需求還在快速增長(zhǎng)。他強(qiáng)調(diào)說：“對(duì)于1KW正向轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換效率只要提高1%，就能節(jié)省10W能耗”。他還介紹到：這就是凌力爾特公司最近推出副端同步控制器LTC3706及其伴隨器件――智能柵極驅(qū)動(dòng)器LTC3725的原因之一，這兩種器件使隔離式正向轉(zhuǎn)換器能夠以高效率轉(zhuǎn)換提供大功率輸出。

    于輝則認(rèn)為，雖然現(xiàn)在的效率已經(jīng)很高，但大多數(shù)條件下指的是電源滿載時(shí)的效率。而今天，應(yīng)該把眼光越來越關(guān)注在非滿載工作和待機(jī)時(shí)能耗的節(jié)省，這種狀態(tài)下的能耗以往通常為大家所忽視。目前據(jù)IEA統(tǒng)計(jì)，待機(jī)能耗約占家庭用電量的3％-11％。于輝介紹說，目前多個(gè)負(fù)載點(diǎn)的ATX計(jì)算電源效率僅為60％左右，而新的美國(guó)80 PLUS標(biāo)準(zhǔn)就明確對(duì)臺(tái)式機(jī)電源提出了分別在20%、50%、100%不同負(fù)載條件下都要達(dá)到效率80%以上。因此，努力的空間還是不小的。美國(guó)能源之星也于7月20日推出臺(tái)式機(jī)80%以上的節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，作為響應(yīng)，安森美推出了ATX 80 PLUS GreenPoin節(jié)能型解決方案，把多個(gè)負(fù)載點(diǎn)提高到80％或更高，將電能損耗降低了近50%。

參與用戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)可能成為一種新方向

    在電源產(chǎn)品的應(yīng)用過程中，不時(shí)有工程師抱怨在實(shí)際應(yīng)用中并無法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品聲稱的高效率。事實(shí)上，所有高效率指標(biāo)都是在某些條件下取得的。有的是在滿負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)的，也有的產(chǎn)品是為不同的負(fù)載點(diǎn)優(yōu)化的。比如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM3367超低壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，其效率高達(dá)95%，但這是在100mA/2.5V的輸出條件下獲得的，相關(guān)的還有輸入電壓，如圖2所示。而在1.8V的輸出電壓上，則最高的效率才達(dá)到85%左右。如圖3所示。實(shí)際上，在設(shè)計(jì)中影響指標(biāo)的還有開關(guān)頻率，環(huán)境溫度等。

圖2：LM3367在2.5V輸出電壓條件下的效率曲線。

圖3：LM3367在1.8V輸出電壓條件下的效率曲線。

    還有一個(gè)很重要的是事實(shí)是，即便在預(yù)算時(shí)設(shè)計(jì)很精確，選型也正確，但由于電路中實(shí)際負(fù)載的變化，仍然導(dǎo)致效率提不上去。由此導(dǎo)致的散熱問題以及重新設(shè)計(jì)業(yè)屢見不鮮。這在便攜式應(yīng)用中是一個(gè)很大的問題。

    目前，已有供應(yīng)商注意到了這個(gè)問題。位于上海的BCD公司，就實(shí)現(xiàn)了從單一的元器件供應(yīng)轉(zhuǎn)換到解決方案供應(yīng)商。該公司除了為客戶提供產(chǎn)品外，而是直接參與到客戶的初期應(yīng)用設(shè)計(jì)中去。憑借對(duì)客戶產(chǎn)品的深入理解，在結(jié)合公司的產(chǎn)品性能，尋求最佳的解決方案。該公司的首席技術(shù)官陳經(jīng)祥說：“整體解決方案決定了我們對(duì)客戶的價(jià)值在于我們能提供整體的解決方案。”他還說：“要想成為一個(gè)至關(guān)重要的供應(yīng)商，首先就必須成為解決方案供應(yīng)商，而非單純的元器件供應(yīng)商。因此，在設(shè)計(jì)的初期階段參與到客戶的產(chǎn)品研發(fā)中是必要和重要的。同時(shí)我們也關(guān)注基于商業(yè)定義的應(yīng)用。”