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高效节能技术应对更严格电源能效规范要求

作者:power   来源:网络   点击:    日期:2009-10-08    

    随着人们节能环保意识的不断增强,计算机、照明、消费电子、电源适配器和家电等领域越来越多地出现了更严苛能效法规的限制。以在全球拥有广泛影响力的美国“能源之星”项目为例,新的1.0版固态照明(SSL)规范已从2008年10月1日开始实施,2.0版适配器/外部电源规范和3.0版电视规范也于同年11月1日开始实施,而2.0版的机顶盒(STB)规范也于2009年1月1日生效。

    这些能效规范在工作能效、待机能耗及功率因数方面提出了比此前版本更高的要求。如2.0版适配器规范的工作能效(以大于49 W输出功率为例)要求是不低于87%,而此前的1.1版要求为不低于84%。另外,3.0版电视机规范的待机能耗要求为不超过1 W,后续规范则可能进一步降低不超过0.3 W甚至是0.1 W。

    这些更趋严格的能效规范为电源设计人员带来了更棘手的节能挑战。安森美半导体身为全球领先的高性能、高能效硅方案供应商,在以高效节能技术应对更严格电源能效规范方面拥有独特的优势,提供高能效的整体电源方案,可帮助设计人员同时实现降低电源待机能耗、提升工作能效及应用功率因数校正(PFC)。

优化PFC控制模式,结合PFC与主转换器
    包括计算机电源、外部适配器在内的许多应用的能效规范都包含功率因数要求,如功率大于75 W的个人计算机、电视和显示器强制要求应用PFC。安森美半导体整体方案的一个重要组成部分,就在功率因数校正方面致力于将PFC与主转换器结合,并优化指定应用和功率电平的PFC控制模式。

    而根据电流特性的不同,常见的PFC工作模式有非连续导电模式(DCM)、临界导电模式(CrM)、连续导电模式(CCM)以及频率钳位临界导电模式(FCCrM)等,其特征也各不相同。

表1:针对不同输出功率等级及应用的安森美半导体PFC控制器

    安森美半导体提供丰富PFC控制器选择,如NCP1601/5/6/7/8、NCP1631、NCP1650/1/2/3/4等,涵盖上述不同工作模式,优化用于不同功率的应用,见表1。如NCP1606/7/8采用CrM工作模式,适合于功率通常低于300 W的中等功率应用,如电子镇流器、液晶电视、等离子电视、台式计算机和交流适配器等。最新推出的NCP1654均工作在CCM模式,适用于功率大于200 W以上的场合。NCP1654的前身NCP1653推出几年来已经获得了极大的成功,广泛应用于台式计算机,开放式电源等领域。特别是在液晶电视和等离子电视中更是占据了绝大多数的市场份额。

    与此同时,安森美半导体还开发了较新的PFC架构,如将PFC段与脉宽调制(PWM)主转换器段结合在一起,推出单段式的PFC控制器。实际上,NCP1651及NCP1652就是这种架构的典型产品。这种单段式PFC减少控制IC、电感和MOSFET的使用数量,帮助提升能效及显著降低成本。NCP1652单级PFC采用反激式拓扑结构,既可以工作在CCM,也可以工作在DCM,结构简单且成本优势明显,特别适合于25 W至150 W功率范围的应用,包括大电流电池充电器、分布式电源系统前端和大功率固态照明(SSL) 等。采用CCM工作模式时,NCP1652帮助提供极优的功率因数,同时限制峰值初级电流。

    安森美半导体还积极开发交错式PFC等新颖的PFC控制技术及FCCrM工作模式的单芯片交错式PFC控制器——NCP1631。这种交错式PFC更易于设计,便于采用模块化的方案,并简化电磁干扰(EMI)滤波,特别是采用两个较小PFC 的设计能够支持厚度低至10 mm的超薄型液晶电视设计,在完整功率范围下提供极优能效,见图1。

图1:基于NCP1631单芯片交错式控制器的300 W PFC电路板能效测试结果

采用更好器件及拓扑结构,提升电源工作能效
    除了PFC方面的努力,安森美半导体还在开关控制器方面采用频率反走、同步整流,以及软开关(包括准谐振、完全谐振、有源钳位(反激或正激))等拓扑结构,同时采用好的场效应管(FET)和二极管,以提升电源方案工作效率。

表2:NCP1379/80控制器提供高工作能效及低轻载和待机能耗

    其中,就交流-直流(AC-DC)离线式开关电源控制器而言,安森美半导体提供带高压启动电路及不带高压启动电路的多种选择,如NCP1237/8、NCP1287/8、NCP1379、NCP1380、NCP1252、NCP1351、NCP1395/6/7等。以NCP1379/80为例,这两款器件是高性能的准谐振(QR)控制器,带谷底锁定功能,支持谷底转换,在宽范围条件下提供优异的工作能效(见表2a),并大幅降低噪声,适合用于笔记本、LCD显示器和游戏机的交流-直流适配器,平板电视的辅助电源,以及DVD和机顶盒等消费类应用。
   
    而除了主开关控制器,安森美半导体规划推出一系列新的高压功率MOSFET完善电源解决方案,如NDFxxN60Z等。这些MOSFET采用的先进封装技术,包括2009年内推出的DPAK表面贴装(SMT)封装和TO220FP、TO-220穿孔封装,以及在2010年推出D2PAK、SOT-223等表面贴装封装,及I2PAK、TO-30、IPAK及TO-92等穿孔型封装。此外,安森美半导体还拥有丰富的整流器产品,产品除了涵盖适配器、ATX电源、液晶电视电源等电源市场,还包括动力系统、安全及控制、舒适及便利、车身电子等汽车市场。

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