用節(jié)能理念設(shè)計外部電源方案

    最近幾年電源產(chǎn)品已經(jīng)取得了突破性的進步，但與此同時，當(dāng)今能源浪費的問題已成為國內(nèi)外越來越關(guān)注的問題，它反映在以下幾個方面：

    突出的問題包括：使用礦物燃料的能源資源是有限的，獲取能源的成本也在增加，礦物燃料的消耗也帶來其它負面影響(即環(huán)境污染)，而可替代能源資源還沒有成熱。所有的家電產(chǎn)品和電子設(shè)備都要消耗電力。不斷增長的個人用電子產(chǎn)品通過使用適配器和充電器-外部電源(EPS)-也在消耗能源外部電源。

    每年到底消耗多少能源？能源浪費的數(shù)量：估算的每年銷售的EPS為10億個以上；估算的正在使用的EPS為100億個低效線性電源所占EPS的％欠為46％(幾乎一半)。如，世界上某發(fā)達國家每年EPS浪費的能源30 to 60BkW-小時，約浪費25-50億美金，它等效于26個中等規(guī)模的電廠！

    1、節(jié)能理念來推動或重新設(shè)計

    電源在輕載時的高效率是關(guān)鍵因素。工作模式的效率是當(dāng)電源工作在25％、50％、75％及100％負載時效率的平均值：在整個負載范圍內(nèi)持續(xù)的高效率比重載時的高效率更加重要；最理想的控制方案是隨負載的降低頻率也相應(yīng)地降低。

    為了解決電源系統(tǒng)提供更高的能量利用效率，國際上頒布了許多標(biāo)準(zhǔn)，如國際能源署“1W計劃”、美國新版能源之星、美國80 PLUS等。那有哪些新的EPS能效標(biāo)準(zhǔn)？

    新的外部電源(EPS)能效標(biāo)準(zhǔn)：適用于所有功率從小于1W到250W的單路輸出的外部電源(EPS)；等同于Energy Star(EPA)標(biāo)準(zhǔn)(CEC，CECP，AGO，EU；同時適用于AC-DC和AC-AC適配器及充電器；美國其它的州也會用此的標(biāo)準(zhǔn)／法規(guī)正在進行中；中國CECP標(biāo)準(zhǔn)從2005年1月1日開始生效；在澳大利亞從2006年4月1日開始生效；歐盟從2007年1月1日也將采用標(biāo)準(zhǔn)中工作模式時的相應(yīng)規(guī)定。

    隨著這些新標(biāo)準(zhǔn)的出臺，對電源設(shè)計有了新的挑戰(zhàn)。為此，需要有新的舉措來面對新的挑戰(zhàn)。首先是那就是要用節(jié)能理念來推動或重新設(shè)計.即節(jié)能已成為一個重要的設(shè)計要求；而今60％的現(xiàn)有方案都無法滿足新標(biāo)準(zhǔn)的要求；關(guān)于外部電源(EPS)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)頒布；不少公司新推出的產(chǎn)品系列能令您的設(shè)計符合所有日前及提議中的標(biāo)準(zhǔn)。再則要用新技術(shù)來應(yīng)對設(shè)計挑戰(zhàn)，如為了降低待機模式的能耗，安森美半導(dǎo)體則側(cè)重于其他技術(shù)，如跳周期待機模式，PWM控制器主控PFC(輕載時關(guān)斷PFC以降低待機能耗)。此外，將諸多新技術(shù)和功能集成到芯片內(nèi)，如DDS(動態(tài)自供電)、頻率抖動、Soxy-less(無線圈去磁檢測)等，可起到簡化外圍電路設(shè)計的作用，也相應(yīng)減少了功率損耗值此僅就選擇節(jié)能芯片和利用利用智能電源管理技術(shù)節(jié)省能源二個方面來研對。

    2、節(jié)能芯片的選擇

    2.1 LinkSwitch-LP器件特點及工作方式

    LinkSwitch-LP系列的產(chǎn)品特性：易于設(shè)計、外圍元件數(shù)目很少的解決方案；原邊電路控制器在負載超過峰值功率點時限制了輸出電流一無需電流檢測電阻；完善的故障保護-過熱、短路及開環(huán)；可在通用輸入電壓范圍(85—265VAC)內(nèi)操作；圖1為典型應(yīng)用的非而簡化電路(a)及輸出特性(b)。突出的特點是節(jié)能技術(shù)：無需任何附加元件，輕松達到全球所有的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)；在265VAC輸入時的空載能耗<150mW；開／關(guān)控制可在極輕負載時具備恒定的效率-是達到強制性CEC標(biāo)準(zhǔn)的理想選擇。

    LinkSwitch-LP的系統(tǒng)成本優(yōu)勢：從圖1可知，頻率抖動降低了EMI，采用簡單的EMI濾波；電感即用于濾波又用于保險絲功能，見圖1中A點部分；內(nèi)部高壓恒流源省去了啟動和偏置電路，見圖1中B點部分；內(nèi)部電流檢測電路省去了外圍的電流檢測電阻見圖1中c點部分；嚴(yán)格的器件參數(shù)公差，低的限流點，允許初級繞組上不使用箱位電路，見圖1中D點部分；低成本的變壓器反饋穩(wěn)壓，見圖1中E點部分；輸出電壓由分壓電阻決定，有精確的FB腳電壓見，圖1中F點部分；開/關(guān)操作不需要頻率補償元件，見圖1中G點部分。針對有最低成本要求，且對恒壓／恒流要求寬松的應(yīng)用進行了優(yōu)化。

    2.2典型應(yīng)用

    圖2顯示的是一個典型的用LNK564IC構(gòu)成的6V 330mA恒壓/恒流(CV／CC)輸出電源電路的替代方案。值此對方案特點作一點分析。

    *輸入電路

    AC輸入差模濾波可由C1和L1形成的極低成本的輸入濾波器得以實現(xiàn)。LNK564的頻率抖動特性省去輸入pi(C、L、C)濾波元件，僅需要一個大容量電容。加上一個套管還可使輸入電感L1既用作保險絲，又用作一個濾波元件。這一簡單的Filterfuse(濾波保險絲)輸入級更進一步地降低了系統(tǒng)成本。另一個可選方案是用一個保險絲電阻RFl來提供保險絲的功能。

    在某些應(yīng)用中如果允許EMI的裕量較低及／或降低的輸入耐浪涌能力，那么可以從中線上取掉輸入二極管D2。在這類應(yīng)用中，D1需要是一個耐壓為800V的二極管。

    *關(guān)于LNK564開／關(guān)控制

    該設(shè)計采用簡單的偏置繞組(T1脈沖變壓器/1.2)電壓反饋方式，由LNK564進行開／關(guān)控制。當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時，由R1及R2形成的電阻分壓器決定了脈沖變壓器T1偏置繞組上的輸出電壓。在V／I曲線(見圖1(b))上的恒壓工作區(qū)域，LNK564器件使能／禁止開關(guān)周期以維持FB引腳的電壓為1.69V。二極管D3及低成本陶瓷電容C3提供初級反饋繞組(T1/3.4)電壓的整流濾波功能。當(dāng)加重的負載超出恒定功率閾值，F(xiàn)B引腳電壓開始隨電源輸出電壓的下降而降低。內(nèi)部振蕩器頻率在這一區(qū)域內(nèi)線性下降，直到達到啟動頻率50％為止。當(dāng)FB引腳電壓下降到低于自動重啟動閾值(FB引腳通常為0.8V，這相當(dāng)于電源輸出電壓在1V到1.5V之間)，電源將關(guān)斷100ms，然后再重新開啟100ms。它將會持續(xù)進行這一工作模式直到FB腳超過自動重啟動閾值。這一功能在輸出短路的情況下可降低平均輸出電流。

    該方案中，可將C3提高到0.47mF或更高來進一步降低空載耗。

    由于LNK564中使用了限流調(diào)節(jié)技術(shù)從而使得限流點公差非常精確，同時采用較新的變壓器結(jié)構(gòu)技術(shù)得以在初級電路中實現(xiàn)無箝位電路的設(shè)計。峰值漏極電壓在265VAC輸入時可以控制在550V之下，對700V耐壓(BVDss)的MOSFET管來說有非常大的裕量。

    *輸出電路管的選擇

     輸出的整流濾波由輸出整流管D4和濾波電容C5來實現(xiàn)。由于自動重啟動特性，平均短路輸出電流大大低于1A，因而可以使用低成本的D4整流管。輸出電路只要能處理電源輸出短路時的持續(xù)短路電流就可以了。二極管D4為超快恢復(fù)型二極管，用來優(yōu)化輸出V／I特性。備選電阻R3作為假負載，在空載輸出時將輸出電壓加以限制。盡管存在這個假負載，空載能耗在265VAC時仍能保持在140mW左右的目標(biāo)范圍內(nèi)。通過將R3的值提高到2.2kW或更高，就可滿足更低的空載能耗要求，并同時可將輸出電壓限制在9V以下。如需要，可將備選的Zener(齊納)嵌位二極管(VRl)安裝在電路板的左側(cè)的空白位置以便在開環(huán)情況下限制電源最大輸出電壓。

    3、利用智能電源管理技術(shù)節(jié)省能源

    近幾年來，電源管理技術(shù)有飛躍的發(fā)展，可供選擇的設(shè)計方案也越來越多。政府環(huán)保團體及消費者不斷向電子產(chǎn)品廠商施加壓力，敦促他們增加產(chǎn)品功能的同時，也必須降低系統(tǒng)的能耗。目前，便攜式電子產(chǎn)品市場的發(fā)展尤其令人矚目，例如，無線通信產(chǎn)品不斷推陳出新，功能也越趨多樣化，是帶動整個市場發(fā)展的功臣。照目前的發(fā)展趨勢看，移動電話、個人數(shù)字助理、MP3播放機、數(shù)字相機及便攜式電子游戲機都朝著外型更小、速度更高、功能更齊備的方向發(fā)展。為了確保／通話時間／(即電池壽命)可以延長至滿意的水平，工程師便一直致力于改善電源供應(yīng)子系統(tǒng)的設(shè)計。

    便攜式電子產(chǎn)品的電池壽命取決丁兩個關(guān)鍵要素，其一是電源轉(zhuǎn)換效奉，而另一個因素是系統(tǒng)的能源管理方法。電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)負責(zé)將電池的供電電壓盡量以最高的效率轉(zhuǎn)為設(shè)計規(guī)定的供電干線電壓，而能源管理系統(tǒng)則針對實際的應(yīng)用情況，實時提供剛好能滿足其需要的供電，以節(jié)省能源。

    3.1提高穩(wěn)壓器效率是有效的節(jié)能辦法之一利用PowcrWis技術(shù)降低能耗

     新—代的節(jié)能技術(shù)側(cè)重于調(diào)節(jié)處理器的頻率及電壓以降低能耗。

    對于以電池供電的系統(tǒng)來說，究竟系統(tǒng)能否長時間處于開啟狀念，取決于其能耗的大小。單單降低其頻率只會減少具平均功耗：但不會減少某一計算上作所需耗用的能源。系統(tǒng)電壓必須調(diào)低，才可真正叫節(jié)省能源。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)及自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)(AVS)這兩種電源管理技術(shù)都可降低系統(tǒng)電壓。

    什么是自適應(yīng)電壓調(diào)整？該技術(shù)有哪些優(yōu)點？用于跟蹤系統(tǒng)處理器的性能變化的嵌入式自適應(yīng)電源控制器(APC)作出自適應(yīng)電壓調(diào)整。APC 通過一個 PowerWise 高速低電源接口將系統(tǒng)處理器的性能（頻率）、溫度和處理變化準(zhǔn)確地傳遞給外部適應(yīng)電源管理芯片。然后，該電源管理單元根據(jù)性能需求自動調(diào)整系統(tǒng)處理器的供給電壓.以前的電壓調(diào)整方案都是開環(huán)回路。CPU 控制在頻率/電壓檢查表中維護的電壓，通過一個專用接口和電源管理電路來提供電壓。檢查表中的值是否是假與最糟糕的情況底下的值。自適應(yīng)電壓調(diào)整減輕了 CPU 干擾并降低了閉環(huán)回路方式的壓.PowerWise 技術(shù)提供的自適應(yīng)電源管理與 ARM 的 Intelligent Energy Manager 提供的準(zhǔn)確動態(tài)性能設(shè)置相結(jié)合，提供了空前理想的結(jié)果。

    而動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)技術(shù)先將不同的電壓及頻率配對成不同的組合，調(diào)節(jié)時便根據(jù)實際需要挑選最適用的電壓/頻率組合。己可提供多款電源管理集成電路PMIC，其中包括可支持DVS模式的LP3906、LP3907，以及可支持DVS和AVS兩種模式的LP5550、P5551及LP5552。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)技術(shù)可以節(jié)省耗電及能源，還為供電電壓預(yù)留一些額外的空間，以支持不同上藝及溫度的系統(tǒng)，這個預(yù)留的額外中間雖然足以應(yīng)付最環(huán)的情況，但實際應(yīng)用時便會浪費較多耗電。我們只要關(guān)閉系統(tǒng)的電源供應(yīng)環(huán)路，控制環(huán)路便可靈活調(diào)節(jié)操作電壓，并將之降至最低，以便盡量節(jié)省能源。PowcrWis技術(shù)便是利用這個方法節(jié)能。

    3.2 PowerWise特征

    PowerWise接口(PW)可以支持智能的能源管理系統(tǒng)。

    PowerWise是一種針對系統(tǒng)整體需要的能源管理技術(shù)，確保以電池供電的電子產(chǎn)品可利用自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)(AVS)技術(shù)以及控制不同狀態(tài)的切換。PowerWise技術(shù)采用閉環(huán)AVS系統(tǒng)搭配高速的串行電源管理總線，確保處理器無論在任何時候，以任何頻率操作，都可采用最低的電壓，以便將動態(tài)能耗降至最低。

    PowcrWise技術(shù)也可為處理器的電位阱提供偏壓。由于供電電壓Vdd已調(diào)低：以減少動態(tài)損耗，晶體管的閾值電壓也必須調(diào)低，以確保驅(qū)動電壓可以保持在較高的水平，但缺點是漏電與靜態(tài)功率損耗會增加。我們只要為電位阱提供反向偏壓，漏電便會減少。此外，以同—供電電壓(Vdd)為例來說，我們也叫為電位阱提供正向偏壓，以提高驅(qū)動電壓。

    可以支持PowcrWise閉環(huán)AVS功能的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)配置必須有以下的基本元件：內(nèi)置于處理器之內(nèi)的先進電源控制器、設(shè)有PWI從屬器的電源管理集成電路，以及將兩者連接一起的雙線PWI串行總線。電源管理集成電路負責(zé)為處理器提供個同的電壓，電壓大小則由先進電源控制器內(nèi)的PWI主控器負責(zé)調(diào)節(jié)，辨法是由主控器將有關(guān)的命令傳往PWI從屬器，再由相關(guān)的電路進行調(diào)節(jié)。

    先進電源控制揣負責(zé)接收主處理脂的命令，為電壓控制過程提供一個不受處理器影響的操作環(huán)境，以及實時跟蹤邏輯電路的操作速度。先進電源控制器永遠處于戒備狀態(tài)，不斷監(jiān)測系統(tǒng)的一切參數(shù)，例如，系統(tǒng)溫度、負載、瞬態(tài)、工藝及其他有關(guān)的變動都會受到監(jiān)測，每當(dāng)先進電源控制器收到有關(guān)頻率即將轉(zhuǎn)變的消息，便會先行作出研判，以確定若以新頻率操作，系統(tǒng)最少需要多少供電才叫可穩(wěn)定操作。整個過程由閉環(huán)電路負責(zé)監(jiān)控，例如先進電源控制器先將電電調(diào)節(jié)命令經(jīng)由PWI接口傳送到PWI從屬器，然后再由伺服裝置將電壓凋節(jié)到適當(dāng)?shù)乃�平�?/P>

    圖3為典型的利用PowcrWise技術(shù)降低耗能的芯片LP5552所具結(jié)構(gòu)示意框圖。其技術(shù)參數(shù)如下。

    LP5552輸出數(shù)目為7.輸出電壓及電流有：2個降壓穩(wěn)壓器為0.8v to1.235v輸出電壓，800mA的輸出電流；5個降壓穩(wěn)壓器為0.8v to3.3v輸出電壓，高達250mA的輸出電流。輸入電壓范圍為2.7V至4.8V。接口為PWl 2.0。封裝為micro SMD-3。

    3.2PowerWise技術(shù)應(yīng)用

    PowerWise技術(shù)是先進的能源管理解決方案，主要針對當(dāng)前和未來受能源所限制的數(shù)字設(shè)備，適用于雙內(nèi)核處理器、手機、便攜式收音機、個人數(shù)字助理、以電池供電的電子產(chǎn)品以及便攜式設(shè)備�？蓪�數(shù)字處理器的能耗降低70％，從而延長電池壽命、支持更多功能和改善使用者的體驗。PowerWise采用自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)（AVS）和閾值電壓調(diào)節(jié)等技術(shù)，將數(shù)字邏輯集成電路的工作和泄漏功耗自動降至最低，同時保持最小的系統(tǒng)開銷。

    PowerWise 技術(shù)提供在單芯片系統(tǒng)和支持組件之間的一種優(yōu)化的閉環(huán)回路，而無需CPU干涉。嵌入式 PowerWise 技術(shù)因為可以合成，所以可不受處理器影響。

    4、結(jié)束語-電源排序技術(shù)也是一種較為理想之節(jié)能方案

    除上述選擇節(jié)能芯片和利用利用智能電源管理技術(shù)節(jié)省能源二個方面之外，需指出的是對于下不同類型的產(chǎn)品其節(jié)能技術(shù)方式也有所不同.而電源排序技術(shù)的應(yīng)用也是一種較為理想之方案。因為在很多大功率系統(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)字信號處理器(DSP)都需要一個內(nèi)核電源和一個輸入／輸出(1／())電源，這些電源在啟動時必須排序。設(shè)計人員必須考慮加電和斷電操作時內(nèi)核和I／O電壓源的相對電壓和時序，以符合制造商的性能規(guī)格要求.沒有恰當(dāng)?shù)碾娫磁判�，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，或存儲器、可編程邏輯器件(PLD)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等支持性器件的I／O端口損壞。