外部電源設計中新技術與芯片的應用

外部電源設計中新技術與芯片的應用

?? 1? 前言
??? 最近幾年電源產(chǎn)品已經(jīng)取得了突破性的進步，但與此同時，當今能源浪費的問題已成為國內(nèi)外越來越關注的問題，它反映在以下幾個方面：
??? ⑴ 突出的問題包括：使用礦物燃料的能源資源是有限的，獲取能源的成本也在增加，礦物燃料的消耗也帶來其它負面影響(即環(huán)境污染)，而可替代能源資源還沒有成熱；
??? ⑵ 所有的家電產(chǎn)品和電子設備都要消耗電力；
??? ⑶ 不斷增長的個人用電子產(chǎn)品通過使用適配器和充電器[外部電源(EPS)]也在消耗能源外部電源。
??? 每年到底消耗多少能源呢?能源浪費的數(shù)量估算每年銷售的EPS為10億個以上；估算正在使用的EPS為100億個低效線性電源所占EPS的百分比為46%(幾乎一半)。如世界上某發(fā)達國家每年EPS浪費的能源（30～60）BkW/小時，約浪費（25～50）億美金，它等效于26個中等規(guī)模的電廠。
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??? 2 用節(jié)能理念來推動或重新設計
??? 電源在輕載時的高效率是關鍵因素。工作模式的效率是當電源工作在25%、50%、75%及100%負載時效率的平均值。在整個負載范圍內(nèi)持續(xù)的高效率比重載時的高效率更加重要，最理想的控制方案是隨負載的降低頻率也相應地降低。
??? 為了解決電源系統(tǒng)提供更高的能量利用效率，國際上頒布了許多標準，如國際能源署“1W計劃”、美國新版能源之星、美國80PLUS等。有哪些新的EPS能效標準呢？
??? 新的外部電源(EPS)能效標準：適用于所有功率從小于1W到250W的單路輸出的外部電源(EPS)；等同于Energy Star(EPA)標準(CEC，CECP，AGO，EU);同時適用于AC-DC和AC-AC適配器及充電器;美國其它的州也會用的標準/法規(guī)正在進行中；中國CECP標準從2005年1月1日開始生效；在澳大利亞從2006年4月1日開始生效；歐盟從2007年1月1日也將采用標準中工作模式時的相應規(guī)定。
??? 隨著這些新標準的出臺，對電源設計有了新的挑戰(zhàn)。為此，需要有新的舉措來面對新的挑戰(zhàn)。首先就是要用節(jié)能理念來推動或重新設計。即：節(jié)能已成為一個重要的設計要求；而今60%的現(xiàn)有方案都無法滿足新標準的要求；關于外部電源(EPS)的節(jié)能標準已經(jīng)頒布；不少公司新推出的產(chǎn)品系列能令您的設計符合所有日前及提議中的標準.再則要用新技術來應對設計挑戰(zhàn)，如為了降低待機模式的能耗，安森美半導體則側重于其他技術，如跳周期待機模式，PWM控制器主控PFC(輕載時關斷PFC以降低待機能耗)。此外，將諸多新技術和功能集成到芯片內(nèi)，如DDS(動態(tài)自供電)、頻率抖動、Soxy-less(無線圈去磁檢測)等，可起到簡化外圍電路設計的作用，也相應減少了功率損耗。值此僅就選擇節(jié)能芯片和利用智能電源管理技術節(jié)省能源二個方面加以研對。
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??? 3 節(jié)能芯片的選擇
??? 3.1? Link Switch-LP器件特點及工作方式
??? ⑴　LinkSwitch-LP系列的產(chǎn)品特性
??? 易于設計、外圍元件數(shù)目很少的解決方案；原邊電路控制器在負載超過峰值功率點時限制了輸出電流，無需電流檢測電阻；完善的故障保護—過熱、短路及開環(huán)；可在通用輸入電壓范圍(85VAC-265VAC)內(nèi)操作；圖1為典型應用的簡化電路(a)及輸出特性(b)，突出的特點是節(jié)能技術：無需任何附加元件，輕松達到全球所有的節(jié)能標準；在265VAC輸入時的空載能耗<150mW；開/關控制可在極輕負載時具備恒定的效率，是達到強制性CEC標準的理想選擇。

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??? ⑵　LinkSwitch-LP的系統(tǒng)成本優(yōu)勢
??? 從圖1可知：頻率抖動降低了EMI，采用簡單的EMI濾波；電感既用于濾波又用于保險絲功能，見圖1中A點部分；內(nèi)部高壓恒流源省去了啟動和偏置電路，見圖1中B點部分；內(nèi)部電流檢測電路省去了外圍的電流檢測電阻，見圖1中c點部分；嚴格的器件參數(shù)公差，低的限流點，允許初級繞組上不使用箱位電路，見圖1中D點部分；低成本的變壓器反饋穩(wěn)壓，見圖1中E點部分；輸出電壓由分壓電阻決定，有精確的FB腳電壓，見圖1中F點部分；開/關操作不需要頻率補償元件，見圖1中G點部分。針對有最低成本要求，且對恒壓／恒流要求寬松的應用進行了優(yōu)化。
??? 3.2典型應用
??? 圖2顯示的是一個典型的用LNK564IC構成的6V 330mA恒壓/恒流(CV/CC)輸出電源電路的替代方案。以下對方案特點作一分析。

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??? ⑴　輸入電路
??? AC輸入差模濾波可由C1和L1形成的極低成本的輸入濾波器得以實現(xiàn)。LNK564的頻率抖動特性省去輸入pi(C、L、C)濾波元件，僅需要一個大容量電容。加上一個套管還可使輸入電感L1既用作保險絲，又用作一個濾波元件。這一簡單的濾波保險絲輸入級更進一步地降低了

系統(tǒng)成本。另一個可選方案是用一個保險絲電阻RFl來提供保險絲的功能。
??? 在某些應用中如果允許EMI的裕量較低及／或降低的輸入耐浪涌能力，那么可以從中線上去掉輸入二極管D2。在這類應用中，D1需要是一個耐壓為800V的二極管。
??? ⑵　關于LNK564開／關控制
??? 該設計采用簡單的偏置繞組(T1脈沖變壓器的1和2端)電壓反饋方式，由LNK564進行開/關控制。當開關關閉時，由R1及R2形成的電阻分壓器決定了脈沖變壓器T1偏置繞組的輸出電壓。在V/I曲線[見圖1(b)]上的恒壓工作區(qū)域，LNK564器件使能／禁止開關周期以維持FB引腳的電壓為1.69V。二極管D3及低成本陶瓷電容C3提供初級反饋繞組(T1/3.4)電壓的整流濾波功能。當加重的負載超出恒定功率閾值，F(xiàn)B引腳電壓開始隨電源輸出電壓的下降而降低。內(nèi)部振蕩器頻率在這一區(qū)域內(nèi)線性下降，直到達到啟動頻率50%為止。當FB引腳電壓下降到低于自動重啟動閾值(FB引腳通常為0.8V，這相當于電源輸出電壓在1V到1.5V之間)，電源將關斷100ms，然后再重新開啟100ms。它將會持續(xù)進行這一工作模式直到FB腳超過自動重啟動閾值。這一功能在輸出短路的情況下可降低平均輸出電流。
??? 該方案中，可將C3提高到0.47mF或更高來進一步降低空載耗。
??? 由于LNK564中使用了限流調(diào)節(jié)技術從而使得限流點公差非常精確，同時采用較新的變壓器結構技術得以在初級電路中實現(xiàn)無箝位電路的設計。峰值漏極電壓在265VAC輸入時可以控制在550V之下，對700V耐壓(BVDss)的MOSFET管來說有非常大的裕量。
??? ⑶　輸出整流管的選擇
??? 輸出的整流濾波由輸出整流管D4和濾波電容C5來實現(xiàn)。由于自動重啟動特性，平均短路輸出電流大大低于1A，因而可以使用低成本的D4整流管。輸出電路只要能處理電源輸出短路時的持續(xù)短路電流就可以了。二極管D4為超快恢復型二極管，用來優(yōu)化輸出V/I特性。備選電阻R3作為假負載，在空載輸出時將輸出電壓加以限制。盡管存在這個假負載，空載能耗在265VAC時仍能保持在140mW左右的目標范圍內(nèi)。通過將R3的值提高到2.2kW或更高，就可滿足更低的空載能耗要求，并同時可將輸出電壓限制在9V以下。如需要，可將備選的Zener(齊納)嵌位二極管(VRl)安裝在電路板的左側的空白位置以便在開環(huán)情況下限制電源最大輸出電壓。

??? 4 利用智能電源管理技術節(jié)省能源
??? 近幾年來，電源管理技術有飛躍的發(fā)展，可供選擇的設計方案也越來越多。政府環(huán)保團體及消費者不斷向電子產(chǎn)品廠商施加壓力，敦促他們在增加產(chǎn)品功能的同時，也必須降低系統(tǒng)的能耗。目前，便攜式電子產(chǎn)品市場的發(fā)展尤其令人矚目。例如，無線通信產(chǎn)品不斷推陳出新，功能也越趨多樣化，是帶動整個市場發(fā)展的功臣。照目前的發(fā)展趨勢看，移動電話、個人數(shù)字助理、MP3播放機、數(shù)字相機及便攜式電子游戲機都朝著外型更小、速度更高、功能更齊備的方向發(fā)展。為了確保/通話時間/(即電池壽命)可以延長至滿意的水平，工程師便一直致力于改善電源供應子系統(tǒng)的設計。
??? 便攜式電子產(chǎn)品的電池壽命取決于兩個關鍵因素，其一是電源轉換效率，而另一個因素是系統(tǒng)的能源管理方法。電源轉換系統(tǒng)負責將電池的供電電壓盡量以最高的效率轉為設計規(guī)定的供電干線電壓，而能源管理系統(tǒng)則針對實際的應用情況，實時提供剛好能滿足其需要的供電，以節(jié)省能源。
??? 4.1利用Power Wise技術降低能耗
??? 新—代的節(jié)能技術側重于調(diào)節(jié)處理器的頻率及電壓以降低能耗。對于以電池供電的系統(tǒng)來說，究竟系統(tǒng)能否長時間處于開啟狀念，取決于其能耗的大小。單單降低其頻率只會減少其平均功耗，但不會減少某一計算上作所需耗用的能源。系統(tǒng)電壓必須調(diào)低，才可真正是節(jié)省能源。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)及自適應電壓調(diào)節(jié)(AVS)這兩種電源管理技術都可降低系統(tǒng)電壓.
??? ⑴ 什么是自適應電壓調(diào)整？該技術有哪些優(yōu)點？
??? 用于跟蹤系統(tǒng)處理器性能變化的嵌入式自適應電源控制器(APC)作出自適應電壓調(diào)整。APC通過一個Power Wise高速低電源接口將系統(tǒng)處理器的頻率、溫度和處理變化準確地傳遞給外部適應電源管理芯片。然后，該電源管理單元根據(jù)性能需求自動調(diào)整系統(tǒng)處理器的供給電壓。以前的電壓調(diào)整方案都是開環(huán)回路。CPU控制在頻率/電壓檢查表中維護的電壓，通過一個專用接口和電源管理電路來提供電壓。檢查表中的值是否是假與最糟糕情況下的值。自適應電壓調(diào)整減輕了CPU干擾并降低了閉環(huán)回路方式的電壓。Power Wise技術提供的自適應電源管理與ARM的Intelligent Energy Manager提供的準確動態(tài)性能設置相結合，提供了空前理想的結果。
??? ⑵ 動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)技術先是將不同的電壓及頻率配對成不同的組合，調(diào)節(jié)時便根據(jù)實際需要挑選最適用的電壓/頻率組合。
??? 己可提供多款電源管理集成電路PMIC，其中包括可支持DVS模式的LP3906、LP3907，以及可支持DVS和AVS兩種模式的LP5550、P5551及LP5552。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)技術可以節(jié)省耗電及能源，還為供電電壓預留一些額外的空間，以支持不同工藝及溫度的系統(tǒng)，這個預留的額外空間雖然足以應付最環(huán)的情況，但實際應用時便會浪費較多耗電。我們只要關閉系統(tǒng)的電源供應環(huán)路，控制環(huán)路便可靈活調(diào)節(jié)操作電壓，并將之降至最低，以便盡量節(jié)省能源。Power Wise技術便是利用這個方法節(jié)能。
??? 4.2 Power Wise特征
??? Power Wise接口(PW)可以支持智能的能源管理系統(tǒng)。Power Wise是一種針對系統(tǒng)整體需要的能源管理技術，確保以電池供電的電子產(chǎn)品可利用自適應電壓調(diào)節(jié)(AVS)技術以及控制不同狀態(tài)的切換。Power Wise技術采用閉環(huán)AVS系統(tǒng)搭配高速的串行電源管理總線，確保處理器無論在任何時候，以任何頻率操作，都可采用最低的電壓，以便將動態(tài)能耗降至最低。
??? Power Wise技術也可為處理器的電位提供偏壓。由于供電電壓Vdd已調(diào)低，以減少動態(tài)損耗，晶體管的閾值電壓也必須調(diào)低，以確保驅動電壓可以保持在較高的水平，但缺點是漏電與靜態(tài)功率損耗會增加。只要為電位阱提供反向偏壓，漏電便會減少。此外，以同—供電電壓(Vdd)為例來說，也為電位阱提供正向偏壓，以提高驅動電壓。
??? 可以支持Power Wise閉環(huán)AVS功能的標準系統(tǒng)配置必須有以下的基本元件：內(nèi)置于處理器之內(nèi)的先進電源控制器、設有PWI從屬器的電源管理集成電路，以及將兩者連接一起的雙線PWI串行總線。電源管理集成電路負責為處理器提供電壓，電壓大小則由先進電源控制器內(nèi)的PWI主控器負責調(diào)節(jié)，辨法是由主控器將有關的命令傳往PWI從屬器，再由相關的電路進行調(diào)節(jié)。
??? 先進電源控制端負責接收主處理器的命令，為電壓控制過程提供一個不受處理器影響的操作環(huán)境，以及實時跟蹤邏輯電路的操作速度。先進電源控制器永遠處于戒備狀態(tài)，不斷監(jiān)測系統(tǒng)的一切參數(shù)，例如，系統(tǒng)溫度、負載、瞬態(tài)、工藝及其他有關的變動都會受到監(jiān)測。每當先進電源控制器收到有關頻率即將轉變的消息，便會先行做出研判，以確定若以新頻率操作，系統(tǒng)最少需要多少供電才稱為可穩(wěn)定操作。整個過程由閉環(huán)電路負責監(jiān)控，例如先進電源控制器先將電壓調(diào)節(jié)命令經(jīng)由PWI接口傳送到PWI從屬器，然后再由伺服裝置將電壓凋節(jié)到適當?shù)乃健?

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??? 其技術參數(shù)如下：LP5552輸出數(shù)目為7；輸出電壓及電流有：2個降壓穩(wěn)壓器為0.8v到1.235v輸出電壓，800mA的輸出電流；5個降壓穩(wěn)壓器為0.8v到3.3v輸出電壓，高達250mA的輸出電流。輸入電壓范圍為2.7V至4.8V。接口為PWl 2.0。封裝為micro SMD-38。

??? 4.3? Power Wise技術應用
??? Power Wise?技術是先進的能源管理解決方案，主要針對當前和未來受能源所限制的數(shù)字設備，適用于雙內(nèi)核處理器、手機、便攜式收音機、個人數(shù)字助理、以電池供電的電子產(chǎn)品以及便攜式設備?？蓪?shù)字處理器的能耗降低70%，從而延長電池壽命、支持更多功能和改善使用者的體驗。Power Wise采用自適應電壓調(diào)節(jié)（AVS）和閾值電壓調(diào)節(jié)等技術，將數(shù)字邏輯集成電路的工作和泄漏功耗自動降至最低，同時保持最小的系統(tǒng)開銷。
??? Power Wise技術提供在單芯片系統(tǒng)和支持組件之間的一種優(yōu)化的閉環(huán)回路，而無需CPU干涉。嵌入式Power Wise技術因為可以合成，所以可不受處理器影響。
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??? 5 結束語——電源排序技術也是一種較為理想之節(jié)能方案
??? 除上述選擇節(jié)能芯片和利用智能電源管理技術節(jié)省能源二個方面之外，需指出的是對于不同類型的產(chǎn)品其節(jié)能技術方式也有所不同。而電源排序技術的應用也是一種較為理想之方案。因為在很多大功率系統(tǒng)中，空間和冷卻系統(tǒng)的成本都很高。因此，就任何POL轉換器而言，做到緊湊、高效率并具有低靜態(tài)電流以滿足新的“綠色”標準都是極端重要的。另外，很多微處理器和數(shù)字信號處理器(DSP)都需要一個內(nèi)核電源和一個輸入/輸出(1/O)電源，這些電源在啟動時必須排序。設計人員必須考慮加電和斷電操作時內(nèi)核和I/O電壓源的相對電壓和時序，以符合制造商的性能規(guī)格要求。沒有恰當?shù)碾娫磁判?，就可能出現(xiàn)閉鎖或過大的電流消耗，這有可能導致微處理器I/O端口損壞，或存儲器、可編程邏輯器件(PLD)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、數(shù)據(jù)轉換器等支持性器件的I/O端口損壞。