半导体供应商应如何作以满足政府及有关机构发布的电子规范要求

面对减少二氧化碳 (co2) 排放量的目标及全球性节能的迫切需求，多项强制性规定电子应用的电源效率的规范不断出現。从降低待机功耗、增加效率及提供能强化功率质量解决方案的角度来看，半导体供应商正担当越来越重要的角色，必须遵守这些规范。本文将探讨产业面临的功率设计挑战、应付这些挑战的标准方法，以及解决这些问题的崭新技术。本文还将深入研究目前已有和即将出台的政府及组织规范，并给出了在集成电路或拓扑结构中遵守这些规范的方法。

待机模式是指当产品处于被动状态或睡眠模式中，即相对于有源或工作模式。产品未使用时的待机功耗占总功耗的 5-10%。为达到减少矿物燃料使用及其相关污染的战略性目标，许多国家都要求产品能降低其待机功耗。美国、欧盟、中国、日本及韩国都已有限制电子产品待机功率的相关规范，几乎针对于所有家用、消费和办公产品。当中所允许的功率值与产品类型相关。举例说，欧洲于 2006 年将执行由能源效率电器组织 (geea) 发出的能源标签，指出需要一大部分内部电子器件以下载新软件和电子节目指南的数字卫星机顶盒，其最大功率允许值可达 15w。而vcr 或 dvd 可录播放机的限值只有 2.5w。

半导体供应商因此需要为产品制造商提供电源解决方案，以满足这些待机要求。例如，飞兆半导体许多功率开关元件都通过进入间歇工作模式来解决这一难题。图 1显示了采用飞兆半导体功率开关的单输出反激式电源的模块示意图。图 2 指出飞兆半导体功率开关如何在待机 (间歇) 模式下工作。

图 1 采用飞兆半导体功率开关的单输出反激式电源的模块示意图

图 2 飞兆半导体功率开关在待机 (间歇) 模式下工作的示例

随着产品负载降低，反馈电压 vfb 也随之降低。当反馈电压降低至 500mv 时，器件将自动进入间歇模式。主器件的开关动作将继续，但内部限流将减小来限制变压器的磁通密度。随着反馈电压不断下降，开关动作将会继续。一旦反激电压降到 350 mv，开关将会停止，而电源的输出电压会以与负载电流一定的比率下降。这反过来会引起反馈电压上升。当 vfb 上升到 500mv，开关又会重新启动，而这又会造成反馈电压再次下降，使到过程不断重复。间歇工作模式的优点是能大幅降低待机功耗。

除了限制待机功率外，多个组织和官方机构正对器件的正常操作也加以功率限制。例如，geea建议视频磁带录像机 (vcr) 和可录 dvd 播放机在开机模式下的功耗不得大过 15w。为了满足这些规范，在正常工作模式下的电源效率因而需要提高。其中一个方法是减少开关器件的开关损耗。为了了解如何利用准谐振 (quasi-resonant) 技术来获得更高的效率，应先回顾一下硬开关转换器的工作原理。图 3 所示为传统的反激式转换器。

图 3 传统的反激式转换器

在传统的反激式转换器中，当 fet 关断时，电路周围的各种寄生电容如 fet 的输出电容 (coss)、变压器电容及反射二极管电容等，都将进行充电。当 fet 重新导通时，这些寄生电容会向 fet 放电，造成很大的电流尖峰，从而增加总体开关损耗。但在准谐振转换器中，fet 的漏源电压由控制器来感测，并仅会在第一个谷值期，亦即当漏源电压最小时将 fet 导通。因此，准谐振转换器的开关频率不会与振荡器依赖，而是和初级电感、谐振电容、输入电压和输出功率相关。图 4 为准谐振开关示意图。

图 4 准谐振开关示意图

准谐振开关的结果是大大减小了导通电流尖峰，从而降低开关损耗，并且提高效率。视电源设计而定，更可以实现零电压开关。飞兆半导体专为各种不同的功率水平，提供了各式准谐振功率开关。

另一个对产品电源设计有着重大影响的规范是功率因数校正 (pfc)。根据 en61000-3-2 规范，在欧洲市场销售额定功率达 75w 以上的产品必须引入功率因数校正。目前流行的大部分消费电子产品包括计算机和外设等都含有开关电源。大多数离线开关电源的前端都采用了传统的二极管桥+电容作为输入，以便进行 ac/dc 转换，如图 5 所示。这种电容性负载会导致低功率因数。只有当 ac 线电压峰值大于电容上的电压时，二极管桥电路才会传导电流。由此产生的半正矢 (haversine) 电流波形包含了大量谐波，从而降低功率因数。图 6 便显示了这一现象。

图 5 开关电源的前端采用传统的二极管桥+电容输入来进行ac/dc转换

图 6 半正矢 (haversine) 电流波形包含了大量谐波，能夠降低功率因数功率因数校正的目的是使电流波形成为类似于电压波形的正弦波形。在这个过程中，电源就像是 ac 线的电阻性负载。校正功率因数可以以有源或无源方式实现。无源方式校正时，电感放置在二极管桥电路和电容前面。这个电感将过滤部分较高阶谐波，从而提高功率因数。无源校正的原理很简单，不过由于电感工作在 ac 频率下，因此可能较为庞大及笨重，并因最终产品的结构限制而难以实现。

有源功率因数校正包括把高频转换器置于二极管桥电路和电容之间。这种转换器使用了反馈方案，可使平均输入电流成为正弦电流。一般能够通过有源而非无源方式校正获得较高的功率因数值。功率因数校正转换器通常是升压拓扑，这种结构的好处是输入电流是连续的。图7为其实现图。

图 7 有源功率因数校正

这类有源校正方案有几种变体，包括非连续性或临界传导模式、连续性传导模式，以及具有零电压开关的连续性传导模式。它们都各有其优点。

非连续性传导模式往往作为临界传导模式来实现，并用于 300 w 及以下的较低功率应用。临界传导模式的特征是一旦电感电流达到零，就会开始下一个周期。图 8描述了临界传导模式的工作原理。它的优势是 q1 直到电感电流为零时才导通，因此消除了升压二极管 (即图 7 的 d2) 的反向恢复效应。故此可以使用较低成本的升压二极管。不过，由于临界传导模式中的 rms 电流较大，因此也需要较大的电感磁心和绕线线径。而 fan7527b 和 fan7528 正是飞兆半导体的临界传导模式控制器。

图 8 临界传导模式的工作原理

为了降低 rms 电流以获得更高的输出功率，通常会采用连续性传导模式。在这种模式中，电感电流在下一个周期开始之前不会为零。因此，rms 电流得以大大降低。图 9 所示为连续性传导模式。连续性传导模式的问题是置于升压二极管 d2上的应力。d2 的反向恢复损耗在连续性传导模式中非常重要。飞兆半导体提供的连续性传导模式部件包括 fan4810 和几种整合了 pfc 控制和下行开关电源控制的器件。这些组合控制器计有 fan4800、ml4824、ml4841 和 ml4826-2。

图 9 连续性传导模式

具有零电压开关 (zvs) 的连续传导模式似乎能够解决非连续性和连续性工作模式的有关问题。尤其是当系统在连续性模式下工作时，将使 rms 电流下降。然而，只要增加一些电路，在传统的连续性工作模式中对加在升压二极管并引起 emi 的反向恢复电流就能够降低。图 10 例示了这种方案的基本电路。

图10 具有零电压开关 (zvs) 连续传导模式的基本电路

基本上，控制器在 q1 导通之前就会激活 zvs fet。这个行动控制了 d1 的关断，并显著降低了开关损耗。pfc fet 的激活将随之进行。通过这种方案可以实现更软的转换，但代价是复杂性更高、元件数目更多。这方案也降低了开关损耗和emi。而飞兆半导体采用这种拓扑的控制器是 fan4822。

待机功率、总体效率及功率因数校正仅是目前针对电子产品而设的一些规范。随着环保意识日渐加强及矿物燃料供应减少，全球各个国家的政府机关都将继续提出强制性的方案，务求电子产品生产商必须提高其产品的能源效率。而半导体企业的任务是继续与这些产品生产商合作，推出创新富革命性的部件，使到产品的价格会保持在普通消费者可接受的水平之内。