消費(fèi)者需要安全的生活環(huán)境，并希望充分發(fā)揮創(chuàng)新潛能以保護(hù)我們的地球。消費(fèi)需求正在驅(qū)動(dòng)著一個(gè)全新的市場(chǎng)發(fā)展大趨勢(shì)，關(guān)注的焦點(diǎn)是再生能源、醫(yī)療診斷與檢測(cè)設(shè)備以及無(wú)處不在的個(gè)人移動(dòng)設(shè)備等。
低能耗高效率是電子產(chǎn)品市場(chǎng)追求的目標(biāo)。為了更好地保護(hù)能源，人類在減少能源消耗的同時(shí)還要努力提高能源使用效率。2009年電子產(chǎn)品市場(chǎng)的主流仍然是低能耗高效率。為此各個(gè)半導(dǎo)體廠商開發(fā)出不同的高能效電源解決方案，下面簡(jiǎn)介一些高能效電源管理方案。
自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)
美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體(NS)的PowerWise是高能源效率產(chǎn)品系列，采用自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)(AVS)架構(gòu)。AVS可以利用電源管理技術(shù)調(diào)整供電電壓，也可以利用內(nèi)部供電調(diào)整技術(shù)調(diào)整輸出，確保數(shù)字CMOS邏輯電路的功耗可以大幅減少;AVS可以主動(dòng)監(jiān)視數(shù)字電路的工作情況，并根據(jù)其實(shí)際用電需要提供適量的供電。AVS比傳統(tǒng)的固定電壓系統(tǒng)節(jié)省高達(dá)64%的耗電(見圖1)。
舉例說(shuō)明PowerWire系列產(chǎn)品的一個(gè)高效率應(yīng)用方案。許多應(yīng)用要求輸入電壓范圍比較大(如汽車應(yīng)用，汽車電池一般為12V或24V，在尖峰情況下可能會(huì)達(dá)到40V)。由于輸入電壓很高而輸出電壓很低(或輸出電流很高)，因此需要使用大降壓比的轉(zhuǎn)換器。具有大降壓比和低輸出電壓特性的功率轉(zhuǎn)換器一般采用兩級(jí)轉(zhuǎn)換，第一級(jí)轉(zhuǎn)換是將高輸入電壓轉(zhuǎn)換為中間電壓，第二級(jí)轉(zhuǎn)換則將中間電壓轉(zhuǎn)換為需要的低輸出電壓。效率是兩級(jí)轉(zhuǎn)換器所需關(guān)注的一個(gè)主要問(wèn)題。盡管個(gè)別級(jí)的轉(zhuǎn)換可以達(dá)到較高的效率，但是整體效率卻可能很低，整體效率僅在60%~70%左右，因?yàn)檎w效率是各轉(zhuǎn)換級(jí)效率之乘積。
與兩級(jí)轉(zhuǎn)換相比，寬輸入和低反饋電壓的同步降壓轉(zhuǎn)換器具有更高的效率，例如NS公司的LM3103(屬于PowerWire系列產(chǎn)品的一款產(chǎn)品，輸入電壓可高達(dá)42V，輸出電壓可低至0.6V)單級(jí)轉(zhuǎn)換效率比兩級(jí)轉(zhuǎn)換器的整體效率高出5%~10%(圖2)。LM3103的應(yīng)用電路示于圖3。
數(shù)字降頻技術(shù)
在能源問(wèn)題受到越來(lái)越多廣泛關(guān)注的今天，大部分電源標(biāo)準(zhǔn)不僅規(guī)定了滿載時(shí)的效率，而且還規(guī)定了整個(gè)負(fù)載范圍的平均效率，例如Energy Star 2.0規(guī)定的平均效率為87%。數(shù)字降頻方法可以更方便地提高平均效率。
準(zhǔn)諧振反激式變換器的開關(guān)損耗比固定頻率的反激式變換器低，而且EM1性能更好，所以這種變換器得到廣泛的應(yīng)用。準(zhǔn)諧振反激式變換器面臨的挑戰(zhàn)之一是其開關(guān)頻率隨輸出功率的下降而上升。這低消了通過(guò)準(zhǔn)諧振方式工作而帶來(lái)的效率提升，特別是在中等負(fù)載或低負(fù)載條件下。為了解決這一問(wèn)題，英飛凌的準(zhǔn)諧振PWM控制器ICE 2QS02G采用了數(shù)字降頻方法。此器件同時(shí)采用數(shù)字信號(hào)處理電路和模擬信號(hào)處理電路。數(shù)字信號(hào)處理電路包括一個(gè)加/減計(jì)數(shù)器、一個(gè)過(guò)零信號(hào)計(jì)數(shù)器和一個(gè)數(shù)字平均器;模擬電路包括一個(gè)電流測(cè)量單元和一個(gè)平均器。導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間點(diǎn)分別由數(shù)字電路和模擬電路決定。在滿載和輕載條件下，數(shù)字降頻使MOSFET分別在不同的過(guò)零信號(hào)點(diǎn)導(dǎo)通。在輕載工作條件下，開關(guān)頻率被有效地降低到一個(gè)相當(dāng)?shù)偷乃?，同時(shí)開關(guān)動(dòng)作仍有效進(jìn)行，從而確保了輕載時(shí)的高效率。為了驗(yàn)證數(shù)字降頻方法對(duì)提升效率所具有的效果，英飛凌設(shè)計(jì)了兩種采用ICE2QS02G且不帶同步整流的準(zhǔn)諧振反激式變換器原型，其效率測(cè)試結(jié)果示于圖4。從圖4所示效率測(cè)試結(jié)果可以看出，采用數(shù)字降頻方法可以顯著地提高系統(tǒng)的綜合效率，從圖4(b)還可看出采用CoolMOS 800V的方案甚至在低電壓和高電壓兩種條件下都達(dá)到90%的超高效率。
多相變換器
預(yù)測(cè)到2010年處理器將工作在1V和100A，到2020年希望處理器的電源電壓將是0.7V和更高電流。處理器工作在1V，100A(或更高)和GHz頻率時(shí)的高效電源管理(采用當(dāng)今的元件和技術(shù)可達(dá)到的效率為70%~80%)成為設(shè)計(jì)人員面對(duì)的困難任務(wù)。
可以滿足當(dāng)今處理器電源要求的唯一拓?fù)涫嵌嘞嚅_關(guān)模式變換器。這種拓?fù)洳捎脙蓚€(gè)或更多相同組合單元，把這些單元的輸出連接起來(lái)，其輸出是所有單元輸出的總和。隨著工作電流要求的增高，需要有更多的單元(相)。一個(gè)最佳的設(shè)計(jì)需要折衷考慮相數(shù)、每個(gè)相的電流、開關(guān)頻率、成本、尺寸和效率。更高的輸出電流和更低的電壓，需要更嚴(yán)格的輸出電流調(diào)整。多相設(shè)計(jì)可采用幾種實(shí)用的方法。
● 采用帶集成MOSFET驅(qū)動(dòng)器的PWM控制器IC。然而，片上柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的熱和噪聲會(huì)影響控制器性能。級(jí)連這類芯片以增加更多相是不現(xiàn)實(shí)的。用這種配置實(shí)現(xiàn)精確的電流均分是困難的，這種方法三相是限制相數(shù)。
● 采用分離的控制器和分離的柵極驅(qū)動(dòng)器，使PWM控制器與柵極驅(qū)動(dòng)器的熱和噪聲隔離。然而，電流均分會(huì)更復(fù)雜，因?yàn)殡娏鞲袦y(cè)信號(hào)路由到控制器;另外還有控制器-驅(qū)動(dòng)器延遲，這是因?yàn)樗鼈兪欠蛛x的IC。
● 采用帶集成柵極驅(qū)動(dòng)器和內(nèi)置同步及電流均分的控制器。這種方法只允許偶數(shù)相數(shù)。然而，片上所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)器熱和噪聲可能會(huì)降低控制器性能。
上面所述三種方法在選擇相數(shù)中不能提供所需的自由度。理想的方法是一種可伸縮的拓?fù)?，它能容易地增加或去除任意多相單元，必須能夠在分布的相單元中相等地均分電流?/font>
● DrMOS。配置小尺寸、可伸縮多相變換器的一種方法是采用DrMOS(Driver-MOSFET)模塊(圖5)。DrMOS模塊包括驅(qū)動(dòng)器和功率MOSFET，設(shè)計(jì)用于多相變換器。Fairchild公司的FDMF8700是一款支持Intel的DrMOS Vcoredc-dc變換器標(biāo)準(zhǔn)、用于大電流同步降壓應(yīng)用的FET加驅(qū)動(dòng)器的多芯片模塊。這是一個(gè)完全集成的功率級(jí)方案，它替代一個(gè)12V驅(qū)動(dòng)器IC和三個(gè)N溝MOSFET，與分立元件方案相比節(jié)省板空間50%。Fairchild家庭的DrMOS多芯片模塊還有FDMF6700、FDMF8704、FDM8705。圖6示出由FDMF8704和PWM控制器組成的四相電壓穩(wěn)壓器電路。Renesas公司的RZJ20602NP集成一個(gè)驅(qū)動(dòng)器IC和高、低端功率MOSFET在56引腳QFN封裝中，它工作在高達(dá)2MHz開關(guān)頻率、最大輸出電流40A，工作在1MHz、VIN=12V、VOUT=1.3V時(shí)最高效率接近87%。
負(fù)電荷泵架構(gòu)
效率的提高對(duì)蜂窩電話這類應(yīng)用顯得尤為重要，更高的效率相應(yīng)具有更長(zhǎng)的通話時(shí)間。
蜂窩電話背光是功耗的主要部分。理想情況下，設(shè)計(jì)人員希望在不損失任何效率的前提下采用全部電池電壓直接驅(qū)動(dòng)(即1倍壓模式下沒(méi)有壓降)白光和RGB LED。顯然要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，采用電池和LED之間的正電荷泵是不可能的。這種配置架構(gòu)在電源回路中產(chǎn)生一個(gè)額外的壓降，降低了LED上的驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓不足時(shí)，電荷泵打開。因此，正電荷泵開始工作的電壓較高，降低了效率。采用1倍壓模式將延長(zhǎng)電池的使用壽命。但要實(shí)現(xiàn)零壓降，典型的方案需要去掉正電荷泵，對(duì)于這種架構(gòu)來(lái)說(shuō)這是不可能的。
一般方案并不為各個(gè)LED分別供電。電路監(jiān)控所有LED輸出。當(dāng)任意一個(gè)LED電流低于預(yù)設(shè)值時(shí)，正電荷泵打開。當(dāng)系統(tǒng)LED正向電壓存在較大不匹配時(shí)，最高的LED VF(正向壓降)將觸發(fā)電荷泵對(duì)電池電壓進(jìn)行升壓。這樣，那些具有較低VF的LED所對(duì)應(yīng)的電流調(diào)節(jié)器將消耗額外的電壓和功率。因此，VF越不匹配以及LED數(shù)目越多，功耗就越大?？梢曤娫?、智能手機(jī)和多媒體播放器采用五路或更多LED，不匹配問(wèn)題將進(jìn)一步加劇功耗問(wèn)題。
Maxim公司的MAX8647負(fù)電荷架構(gòu)消除了電池至LED之間的線路阻抗。因此，當(dāng)電池放電時(shí)，該器件延遲1~1.5倍壓模式之間的切換。自適應(yīng)切換技術(shù)分別對(duì)各個(gè)LED供電、調(diào)光和穩(wěn)流。該新技術(shù)將LED效率提高12%(圖7)。
交錯(cuò)式臨界導(dǎo)通PFC
“能源之星”(Energy Star)和“電腦節(jié)能拯救氣候行動(dòng)”(Climate Savers Computing Initiative)要求數(shù)字電視、臺(tái)式電腦和入門級(jí)服務(wù)器、前端電信系統(tǒng)的電源系統(tǒng)具有高效率低功耗。飛兆半導(dǎo)體的交錯(cuò)式臨界導(dǎo)通(Interleaved Boundary Conduction Mode)PFC(功率因數(shù)校正)控制器FAN9612采用交錯(cuò)方式能為AC-DC電源提供超過(guò)96%的效率其額定功率范圍100W～1000W。它采用兩個(gè)并連180°相差的升壓功率級(jí)。由于FAN9612采用交錯(cuò)方式，并在所有運(yùn)作條件下都保持兩個(gè)功率級(jí)精確的180°相差，因此能夠降低導(dǎo)通損耗;其自動(dòng)切相功能使輕負(fù)載下僅有一個(gè)通道運(yùn)作，將功耗減至最小;其谷底開關(guān)(Valley switching)技術(shù)將MOSFET開啟損耗減至最低。這種交錯(cuò)式臨界導(dǎo)通PFC為綠色電源提供高效率AC-DC電源，采用FAN9612的PFC電路示于圖8。
結(jié)語(yǔ)
低能耗高效率是電子產(chǎn)品追求的目標(biāo)。人們?cè)跍p少能源消耗的同時(shí)，還要努力提高能源使用效率。為此涌現(xiàn)出各種不同的高能效電源解決方案和技術(shù)，這包括自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)、數(shù)字降頻技術(shù)、多相變換器、負(fù)電荷泵、交錯(cuò)式臨界導(dǎo)通模式等。隨著消費(fèi)需求、節(jié)能和電子設(shè)備必須遵守強(qiáng)制性能效規(guī)范，必將會(huì)涌現(xiàn)出新的低能耗高效率電源管理方案和技術(shù)。