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新的节能标准催生电源设计新趋势

时间:2012-10-19 16:46来源:未知 作者:admin 点击:
 

    如果说最近几年电源产品已经取得了突破性的进步,恐怕一点也不过分。效率已经接近极限,功率管理更加精密,体积也越来越小…….但这够了吗?所看到的现状却是,人们对电源系统需求的迫切度有增无减!

    实际上对电源系统的压力来自正反两方面。一方面,消费者希望在设备中集成越来越多的功能,况且体积还越来越小,这就要求电源以更小的体积提供更多的能量。但另一方面,滚滚热浪席卷全球,全球气候变暖已开始让人们不得不认真对待。这就反过来要求电源系统提供更高的能量利用效率。

    为了解决或者说是减缓面临的问题,国际上颁布了许多有关的标准,如国际能源署“1W计划”,美国新版能源之星,美国80PLUS等。随着这些新标准的出台,电源设计的未来趋势将怎样?

    需要新技术来应对设计挑战

    新技术一直是应对挑战的主要手段。然而不同公司采取了不同的侧重技术。

    “凌力尔特公司一直在低静态电流方面下功夫,我们在很多电源管理集成电路中纳入了突发模式(BurstMode)技术,这种技术最大限度地降低了在备用模式时集成电路自身需要的电流。”该公司电源产品市场经理TonyArmstrong介绍道。突发模式的本质是,当通过VC引脚电压检测到所需开关电流低于编程电流值的规定值时,突发模式启动。在突发间隔中,开关停止动作,除Vcc稳压器、误差放大器和带隙基准以外,集成电路内部所有功能都被禁止,见图1。利用这种模式,在很多情况下,可以静态电流低到了10uA至20uA。适用于手持设备的LTC3548和LTC3410,适合于无线设备、便携式计算机的LTC3801以及适合于数字设备、汽车系统和分布式直流电源系统LTC3827都是这类具有低静态电流的产品。

    同样是为了降低待机模式的能耗,安森美半导体则侧重于其他技术,如跳周期待机模式、PWM控制器主控PFC(轻载时关断PFC以降低待机能耗)。除此之外,将诸多新技术和功能集成芯片内部,如DDS(动态自供电)、频率抖动、Soxyless(无线圈去磁检测)等,可起到简化外围电路设计作用,也相应减少了功率损耗。该公司的中国区电源管理产品高级工程师于辉介绍说,“利用以上技术最近我们陆续推出了最新研制的电流型PWM控制器NCP1271、准谐振控制器NCP1337以及半桥谐振控制器NCP1396和有源钳位控制器NCP1282等电源管理芯片。这些产品是基于安森美半导体多年来在电源领域丰富经验基础上,并且针对客户实际应用所需开发研制而成的。非常适用于适配器、台式机以及液晶电视等产品的电源应用。”

    为了满足美国最新标准80PLUS的要求,不少电源厂商,采用的是分别针对几个负载点进行优化,这样做虽然可以满足标准的要求,但却给用户的使用带来一些限制,因为用户无法在实用中确保工作在最佳工作点上。所以,还有待于开发新的动态负载技术来实现更多负载点甚至是连续动态负载上的高效率。

图1:凌力尔特的LTC3801采用突发模式将静态电流降至10至20uA。

图1:凌力尔特的LTC3801采用突发模式将静态电流降至10至20uA。

    不同类型产品趋势有异

    在很多大功率系统中,空间和冷却系统的成本都很高。因此,就任何POL转换器而言,做到紧凑、高效率并具有低静态电流以满足新的“绿色”标准都是极端重要的。另外,很多微处理器和数字信号处理器(DSP)都需要一个内核电源和一个输入/输出(I/O)电源,这些电源在启动时必须排序。“设计师们必须考虑加电和断电操作时内核和I/O电压源的相对电压和时序,以符合制造商的性能规格要求。没有恰当的电源排序,就可能出现闭锁或过大的电流消耗,这有可能导致微处理器I/O端口损坏,或存储器、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、数据转换器等支持性器件的I/O端口损坏”,TonyArmstrong说道。他还认为,在高性能、大功率电源设计不断需要更多功率的同时,它们在可用电路板空间上却越来越受到限制。此外,功率密度给电源设计师带来了极大的挑战,不管设计师是否具有经验都一样。一般情况下,要求这些电源设计具有高于90%的转换率,以限制电源的功耗和温度。因此,电源设计的热性能尤其重要,因为只有很小的空间用来散出DC/DC电源转换损耗和有限的空气流动产生的热量。

    而对于便携式系统,似乎对电源产品提出了的挑战更严峻。陈经祥认为,今后的电源产品除了对效率等指标需要注重以外,还必须注重成本、效率及体积和重量彼此关联的综合特性。为了适应这些需求,这就要求设计者在制造工艺,电路设计和系统应用等方面拥有更全方位和更高端的技术。于辉则认为,为了应对挑战,首先就是电源管理芯片功能的高度集成化。如前所述电子类产品正向着轻便多功能方向发展,电源部分不但效率要高,而且要提供保护等功能;其次开发适合新的拓扑结构的芯片实现节能。他说:“很多新的节能方式需要专用芯片来实现。此类新结构的电源管理技术也是未来研究的重要领域;再就是电源控制技术的提高。为了更加精确实现对电源性能的控制,电源管理芯片有时会配合系统工作,如MCU可以向电源管理芯片发出信号触发待机等。”针对以上发展方向,对于半导体制造商来说集中的挑战在于不断开拓新的技术领域,提供效率更高、功能更强大、待机损耗更低的电源产品。同时,在保证优异性能的前提下,更要注重环保和降低系统设计的成本才可以提供竞争力强大的产品为未来大规模生产提供充分的保障。

    效率是电源设计技术永恒的追求

    我不时听到一种说法,就是现在的电源技术中,效率已经基本达到了极限,更多的努力已经没有太多的意思了。面对这种说法,来自各厂商的专家则不全认同。TonyArmstrong认为:就利用DC/DC转换器进行电源转换的效率而言,目前尚未走到尽头。特别是在大功率转换应用中。他介绍说:目前仅在支撑互联网服务器运行方面、由于传送成百上千万份YouTube视频以及海量的数据,就需要大量的功耗。每年仅保持Google、微软、雅虎等互联网巨擘的数据中心运转所需的电量就相当于14个1000MW的发电厂发出的电量。况且这种需求还在快速增长。他强调说:“对于1KW正向转换器,转换效率只要提高1%,就能节省10W能耗”。他还介绍到:这就是凌力尔特公司最近推出副端同步控制器LTC3706及其伴随器件――智能栅极驱动器LTC3725的原因之一,这两种器件使隔离式正向转换器能够以高效率转换提供大功率输出。

    于辉则认为,虽然现在的效率已经很高,但大多数条件下指的是电源满载时的效率。而今天,应该把眼光越来越关注在非满载工作和待机时能耗的节省,这种状态下的能耗以往通常为大家所忽视。目前据IEA统计,待机能耗约占家庭用电量的3%-11%。于辉介绍说,目前多个负载点的ATX计算电源效率仅为60%左右,而新的美国80PLUS标准就明确对台式机电源提出了分别在20%、50%、100%不同负载条件下都要达到效率80%以上。因此,努力的空间还是不小的。美国能源之星也于7月20日推出台式机80%以上的节能产品认证标准,作为响应,安森美推出了ATX80PLUSGreenPoin节能型解决方案,把多个负载点提高到80%或更高,将电能损耗降低了近50%。

    参与用户系统设计可能成为一种新方向

    在电源产品的应用过程中,不时有工程师抱怨在实际应用中并无法实现产品声称的高效率。事实上,所有高效率指标都是在某些条件下取得的。有的是在满负载条件下实现的,也有的产品是为不同的负载点优化的。比如美国国家半导体的LM3367超低压DC-DC转换器,其效率高达95%,但这是在100mA/2.5V的输出条件下获得的,相关的还有输入电压,如图2所示。而在1.8V的输出电压上,则最高的效率才达到85%左右。如图3所示。实际上,在设计中影响指标的还有开关频率,环境温度等。    

    还有一个很重要的是事实是,即便在预算时设计很精确,选型也正确,但由于电路中实际负载的变化,仍然导致效率提不上去。由此导致的散热问题以及重新设计业屡见不鲜。这在便携式应用中是一个很大的问题。

    目前,已有供应商注意到了这个问题。位于上海的BCD公司,就实现了从单一的元器件供应转换到解决方案供应商。该公司除了为客户提供产品外,而是直接参与到客户的初期应用设计中去。凭借对客户产品的深入理解,在结合公司的产品性能,寻求最佳的解决方案。该公司的首席技术官陈经祥说:“整体解决方案决定了我们对客户的价值在于我们能提供整体的解决方案。”他还说:“要想成为一个至关重要的供应商,首先就必须成为解决方案供应商,而非单纯的元器件供应商。因此,在设计的初期阶段参与到客户的产品研发中是必要和重要的。同时我们也关注基于商业定义的应用。”

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