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(lèi)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(kāi)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(jiàn)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(chē)應(yīng)用，汽車(chē)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(mǎn)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(kāi)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(kāi)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(mǎn)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(kāi)關(guān)頻率被有效地降低到一個(gè)相當(dāng)?shù)偷乃?，同時(shí)開(kāi)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(mǎn)足當(dāng)今處理器電源要求的唯一拓?fù)涫嵌嘞嚅_(kāi)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(kāi)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(lèi)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)洌苋菀椎卦黾踊蛉コ我舛嘞鄦卧仨毮軌蛟诜植嫉南鄦卧邢嗟鹊鼐蛛娏鳌?/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(kāi)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(huà)這類(lèi)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(huà)時(shí)間。
蜂窩電話(huà)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(kāi)。因此，正電荷泵開(kāi)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(kāi)。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?huà)、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(xiàn)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(mén)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(kāi)關(guān)(Valley switching)技術(shù)將MOSFET開(kāi)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)。