节能增效继续主导电源技术潮流
目前，节能已经和全球变暖一样成为人们关注的话题。针对低功耗便携式产品、高效率开关电源以及各类功率组件方案的设计，不仅仅是一种应用趋势，同时也给工程师们带来了各式各样的挑战：比如开关功率放大器已经在模拟功率放大器的基础上极大提高了效率，但是如何在开关型放大器基础上进一步提高效率？白色家电的待机功耗已经被许多国家的法令明确提出控制指标，但是黑色家电的节能降耗仍然是一个盲区。另外，在流行的便携式产品设计中，如何更好地进行电源管理与优化设计，进一步减小电源噪声，实现优异的待机性能等，都是工程师们关心的问题。针对这些问题，《电子设计应用》（EDAW）杂志社日前举办了模块电源与电源管理技术专题研讨会，来自龙鼎微电子、Vicor、精工电子、恩智浦、上海贝岭以及安森美等公司的资深人士以及专家，就电源模块及电源管理技术做了精彩演讲。本文将介绍其中的关键技术与应用。
D类功放与LED背光促进黑色家电节能
随着消费类电子产品的不断丰富，越来越多的黑色家电出现在了人们的日常生活中，如平板电视、家庭影院、笔记本电脑等，它们的节能问题也越来越突出。龙鼎微电子首席科学家茅于海认为，黑色家电的节能并不意味着降低输出音频功率和降低屏幕亮度，而是要求在同样的输出功率和屏幕亮度下降低功耗。
他说，音频功率放大器正进入一个从模拟到数字（D类功放）的转变时期，D类音频功率放大器的效率要比AB类高出3倍~6倍，而播放语音或音乐时主要工作于低输出功率状态。
相比于待机功耗而言，降低工作时的功耗应该是家电节能的主要措施。目前，电源已经完成从模拟向开关的过渡，电源本身效率的提高已经没有多少空间。要继续提升电源工作效率，必须从减少系统本身的功耗着手。对于黑色家电，功耗主要体现在音视频输出方面。随着D类功放越来越多地被采用，人们也开始了进一步降低其效率的措施，如降低导通电阻、开关频率，以及除去输出低通滤波器。关于无滤波器的D类功放，TI公司在2001年已经提出了相关的专利技术，可以省去低通滤波器。茅于海介绍，龙鼎微电子也提出了另一种方法，以省去输出低通滤波器，这种方案可以节省70%的PCB面积和35％的总体成本。
对于液晶电视来说，由于其主要采用CCFL灯管做背光，其最大的缺点就是有超过40%的光损失，浪费了很多电能。而LED发光具有方向性，比较集中，如果作为整体背光源，发光效率比CCFL高，节能效果显著。但与CCFL灯80Lm/W的发光效率相比，LED的发光效率相对较低，通常为30Lm/W。不过，LED本身的发光效率也在不断提高，目前，市场上已经有达到100Lm/W发光效率的LED产品，而在实验室中则可实现150Lm/W。如果采用这些最新的高效LED，还可以进一步降低功耗。此外，如果在PC和笔记本电脑当中应用LED背光，不仅能够降低功耗，还可以减小它们的体积和重量。采用LED背光的另一个节能优势是可以省去滤色片。彩色液晶滤色片的存在会损失70%的光能，如果采用彩电LED背光，则可以直接采用RGB三色LED。但这种方法在节能的同时，也对LED驱动电路提出了更高的要求，即必须采用场顺序依次发光。
目前，龙鼎微电子把研发重点放在了D类功放、LED驱动器，以及其他高效率的电源芯片上，以满足节能市场需求。
多种功率解决方案满足铁路应用
随着铁路服务水平的提升和火车自身性能的不断完善，机车内各个功能单元对功率元器件的要求也在不断提高，如动力控制、刹车控制、空调设备、自动机车控制/自动机车保护/自动机车工作，以及闭路电视、乘客资讯提示屏等，它们对输入电压范围、瞬态及浪涌、电源中断及更替过程、工作温度范围、冲击及振动有着苛刻的要求。
针对上述应用，Vicor公司推出了一系列的解决方案，如VI-J00和VI-200，采用高效、 低噪声的ZCS/ZVS 功率架构，具有多种输入电压范围，输出电压为直流1V~95V，具有50% ~110%的可调范围，输出功率分别达100W和200W，可实现3000Vrms隔离，工作温度范围为-40℃~+100℃，在70℃下以地面移动情形计算，典型平均失效时间大于300000小时。此外，Vicor还推出了支持更多应用的V110 Maxi/Mini/Micro系列，每个系列各有8个标准输出电压型号。其中，EN 50155输入电压范围是直流66 V~154V。
Vicor高级应用工程师刘广缘表示：“有些客户要求很低的输入，能在启动时继续供电数秒。但这并非EN 50155中的要求。比如，某客户要求当它的110V系统可在启动后的3s~5s，电池电压可能已经降至36V(若能低至30V更好)时，整个系统还能正常工作。但EN 50155规定的输入范围是0.6VN~1.4VN (即直流66V~154V)。以3s~5s或更长时间考虑，使用维持电容是不可行的。但可以采用如图1所示的延伸输入电压范围的设计理念。”
图1 使用EN50155延伸输入电压范围的设计理念
LLC谐振桥式变换器改进开关管损耗
电源装置越来越小，重量也越来越轻。为了适应这种电源体积和重量上的减少，提高开关频率成为设计者们最常用的方法。但是，随着开关频率的提高，开关器件的开关损耗也越来越大，并带来了电压变换器效率降低和严重发热等问题。辽宁工业大学电力电子与电力传动硕士导师陈永真认为，LLC谐振桥式变换器可以有效地减小开关管损耗，降低开关损耗，解决效率降低和发热严重等问题。
传统条件下，通常变换器的开关管是硬开关，在关断时会出现很大的浪涌电压，使得开关管上的电压上升率dv/dt变得很大，因而加大了开关管的开关损耗，并产生很大的电磁干扰(EMI)。一般的方法是在变换器上加一个RC或RCD缓冲器，以吸收变压器漏感所储存的能量，从而抑制浪涌电压，降低dv/dt，如图2所示。但是，加了缓冲器之后的变换器，由于其所吸收的能量最终被消耗在缓冲器自身的电阻上，开关频率越高，缓冲器所消耗的能量就越大，变换器的效率就越低，可见，增加RC或RCD缓冲器实际上并没有提高电源转换的效率。
图2 通常变换器的开关管是硬开关
实践表明，在电源变换器中，损耗主要有两个途径：其一是开关管的导通损耗，其二是开关管的开关损耗。相比之下，在MOSFET作为开关管时，导通损耗一般占开关管总损耗的2/3；而在IGBT作为开关管时，导通损耗一般占开关管总损耗的1/3。
陈永真认为，无源无损耗缓冲电路可以很好地解决开关损耗问题和提升电源效率。无源无损耗缓冲电路可以不改变原有的控制方式，只需将无源无损耗缓冲电路直接替代RCD缓冲电路即可。然而，这种电路缺点也很明显：一方面缓冲电路中二极管的反向恢复可能引起某种程度的电磁干扰；另一方面，二极管和复位电感仍会产生一些损耗，在缓冲电路复位时，这将增加开关管的导通损耗。因此，如果能够去掉缓冲电路中的二极管和复位电路，同时保持上述的优点，就成为解决问题的关键，这个关键就是LLC谐振桥式变换器，如图3所示。
图3 LLC写真桥式变换器
采用LLC谐振桥式变换器，在开关频率低于LC谐振频率工作模式下，输出整流器在LC谐振电流下降到0后自动关断，开关管开通使输出整流器的反向恢复结束，所产生的EMI相对很低；同时，亦没有由于输出整流器的反向恢复所造成的开关管开通损耗。在开关频率高于LC谐振频率工作模式下，输出整流器的反向恢复将在开关管的开通过程完成，可能出现比较大的EMI，还可能会使开关管的开通损耗增加。综合考虑，一般选择开关频率低于LC谐振频率下的工作模式。
分立器件继续向整合与集成发展
随着消费电子产品的小型化，与之相配套的电源系统设计也发生了深刻变化。上海贝岭股份有限公司专家级高工颜重光指出，虽然分立器件仍然具有一定市场，如手机的射频部分，电源还是需要用到LDO（低压差稳压器），但是大的厂商都在将以前分立的器件进行整合与集成。
便携产品电源设计需要系统级思维，在开发由电池供电的设备如手机、MP3、PDA、PMP、DSC等低功耗产品时，如果电源系统设计不好，会影响到整个系统的架构、产品的特性组合、软件的设计以及电池寿命等。目前，便携产品常用的电源管理芯片有多种，包括LDO芯片、基于电感器储能的DC/DC转换器，基于电容器储能的充电泵、PMU（电源管理单元）/LMU（光源驱动管理单元）、电池充电管理以及锂电池保护等，其中，PMU与LMU代表了未来的发展趋势，PMU在数码相机中的应用如图4所示。
图4 PMU在数码相机中的应用
就目前来说，LDO仍然是便携式产品应用的主要考虑。在手机应用上，LDO要求具有尽可能小的噪音（纹波），在没有RF的便携式产品中需要静态电流非常小的LDO。贝岭股份有限公司具有多款LDO产品，其BL8555/BL8560已广泛用于手机设计中。
基于电感器储能的DC/DC转换器是当前工程师常用的电源管理芯片。在输入与输出电压差较高时，开关稳压器避开了所有线性稳压器的效率问题，它通过使用低电阻开关和磁存储单元实现了高达96%的效率。对于开关频率高的DC/DC，可以极大地缩小外部电感器和电容器的尺寸与容量。但是，电感器的频率外泄干扰很难避免，设计时需要考虑EMI辐射问题。贝岭公司在DC/DC产品上具有多年设计经验，产品已应用于多种便携产品如PMP中。
NXP电源解决方案大幅提升PC电源效率
PC领域也面临着提高能效的严峻考验。即将于2007年7月20日开始实施的能源之星规定，台式电脑在额定输出负载的20%、50%和100%时需要达到最低80%的效率，并且待机能耗低于2W。而由国际能源机构IEA发起的1瓦计划更是要求到2010年，电器产品的待机功耗必须降低到1W。NXP半导体中国区事业总部刘晟指出：“提高计算机的能效能够从多方面节省开销。首先，能效的提高意味着能源消耗降低，有助于减少电费支出；其次，PC热量散发的降低，也能够减少大楼的制冷费用；再次，计算机可靠性得以增加，可节省维护费用；最后，控制能耗后，更多的计算机可以在同一条支路上运行，能够避免昂贵的电气升级。”
NXP半导体的GreenChip PC芯片组即是为了提高台式PC机电源的整体效率而设计，包括初级控制IC TEA1771、次级控制和待机IC TEA1782，以及次级控制IC TEA1781，如图5所示。通过对电源拓扑中的副边二极管和初级主开关加以改进，GreenChip PC能够使PC机的电源效率从65%上升到80%。据刘晟介绍，采用GreenChip PC芯片组构成的电源拓扑与原先的电源拓扑有4点主要区别：第一，通过有源箝位降低了初级开关和次级开关的源漏击穿电压BVDS；第二，将原来拓扑中的二极管换为8个受控开关；第三，将待机电源与主电源合为一体；最后是去除了稳压器。通过这些措施，达到了设计简单、降低成本、提高效率的目的。
图5 基于GreenChip PC芯片组的PC电源拓扑
除了台式PC以外，NXP半导体也面向笔记本电脑适配器和液晶电视应用推出了其用于开关模式电源供应(SMPS)的第三代节能型芯片GreenChip III TEA1750，它能将空载待机功耗降低到200mW~300mW，比传统解决方案的待机功耗减少200mW以上。
应用电流型PWM控制器降低功耗
对于需要降低成本、提高可靠性并减少待机能耗的应用来说，安森美半导体的固定频率电流控制器产品NCP1271具备了构建小型、高可靠性电源所需的全部功能与特性，其典型应用电路如图6所示，适用于设计笔记本电脑、LCD显示器、DVD播放器、机顶盒等消费类电子产品中的AC-DC电源适配器。安森美半导体中国区汽车及电源产品部产品经理于辉表示：“与我们其它的固定频率电流控制器产品，NCP1271是性价比极好的产品，它具有很多独特的功能，并且通过采用更新的工艺降低了成本。”
目前，NCP1271可提供65kHz和100kHz两种开关频率版本。产品中创新使用的软跳周期技术不但在空载条件下能实现优异的待机性能，且更大幅度减小噪声，降低系统成本。当NCP1271的锁存引脚上的电压高于7.5V时，外部锁存功能就会启动，立即停止驱动输出，使NCP1271处于锁存关断状态。这种保护机制采用低成本的输出电压保护 (OVP) 原理，在光学耦合器损坏时能够避免电压失控，实现可靠的保护。NCP1271中另外一个独特的功能是基于定时器的故障检测，当反馈引脚电压高于3V并持续130ms时，控制器会安全地切断应用，启动故障模式。在这种机制下，器件可以独立于辅助线圈，准确地进行过载检测和短路检测。另外，NCP1271还具有内部高压启动、频率抖动、内部斜坡补偿、软启动、全温度范围精确峰值电流精度等特性。
NCP1271有一些设计时的小窍门。比如，跳/锁存引脚和反馈引脚可配合额外的去耦电容，以提高抵抗噪声的性能；始终在跳/锁存引脚上设置跳电阻，可以同时提高锁存功能抵抗噪声的性能；斜坡电阻Rramp通常低于1kW，这时能实现较好的瞬态响应，高于10kW时，瞬态情况最差，同时也会减小最大工作量；VCC电容应该尽可能接近，避免设备在VCC受转换噪声影响降到VCC(off)以下时进入故障状态。
图6 NPC1271的典型应用电路
为超低电压设计升压电路
在电源管理领域中，超低电压升压电路的设计一直是个技术难点，因为一般升压转换芯片的启动电压至少要求为1V~1.2V，如果直接从超低输入电压引入则无法实现芯片的运作，如果从输出端引入虽然满足了开启要求，但是由于最初启动时芯片还是无法运作也就无法实现规定的输出电压。来自日本精工电子有限公司FAE工程师张炜为大家揭开了超低输入电压升压电路设计的神秘面纱。
张炜指出，便携式产品主要以电池为电源动力，通常情况下将1V以下认为是超低输入电压。市场上见到的无线鼠标、无线键盘，所需的输入电压要尽可能的低，另外，太阳能电池的电压也是比较低的。
如何从0.5V输入电压实现升压？精工利用了一款升压启动IC——S-882Z，如图7所示。该系列芯片与以往的充电泵IC不同，是采用完全耗尽型SOI(绝缘体上硅)技术开发的、可以超低电压工作的升压DC-DC转换器启动用充电泵IC。由于利用非常低的输入电压(0.3 V~0.35V)即可升压，因此可有效地利用微弱的能源。升压电力可存储在外接的启动用电容器中，一旦达到所设定的放电开始电压，就可以作为升压DC-DC转换器的启动电力进行放电。另外，由于内置了开/关控制功能，因此所连接的升压DC-DC转换器的输出电压达到一定值以上时，可自动地停止工作，大幅度地降低消耗电力，延长电池的使用寿命。S-882Z系列升压启动IC可用于太阳能电池、燃料电池等低电压电源的升压，也可以用于RF标签内部电源电压的升压，此外，S-882Z还可为间歇工作系统供应间歇电力。
图7 0.5v输入电压升压电路
张炜表示，精工首先追求的是低消耗电流和低工作电压，还有一个策略是小封装。原来SOT-23的小封装逐渐过渡到主力的SNT封装，还向客户提供WLP/CSP封装。而这一系列演变，正是顺应了精工小型封装发展的大趋势。如现在的电源产品主力封装SNT，其厚度只有0.5毫米，非常适合诸如蓝牙产品的电池这些非常薄的地方。他表示，今后其电源产品也将会打入汽车市场。■