發布日期：2022-07-14 點擊率：54
“環保節能型”設計的需求在給半導體產業帶來巨大機遇的同時,也帶來了重大挑戰。在滿足政府及相關組織提出的節能環保標準和規范的同時,半導體企業還必須考慮消費者的特定需求。作為業內領先的電源半導體解決方案供應商,安森美半導體擁有專業的設計隊伍及高效的供應鏈流程,一直致力于研發并提供高效的符合環保要求的電源管理方案,在成功應對電源管理市場挑戰的同時,為實現環保和節能提供卓越的解決方案。
高效率、高集成帶來的設計挑戰
今天的電源管理市場正處在劇烈變革之中,電源規范的采用已經越來越普遍,要求電源轉換器在各種運作模式下都必須提供更高的效率,例如小于1 W的待機能耗要求,以及美國加州能源委員會(CEC)和美國能源之星(ENERGY STAR)要求外接電源能效大于80%的規定。降低諧波的要求也促進了功率因數校正(PFC)前端的引入,IEC 1000-3-2已經成為歐盟與日本的強制性規定,獲得了許多國家的自愿采用。由于終端用戶希望能夠在更小尺寸的封裝內實現更多的功能,因此系統的復雜性不斷增加,功率密度要求也越來越高。消費類產品市場變幻莫測,更快產品上市時間的要求采用簡化電路的設計。
此外,雖然RoHS指令已經在2006年7月1日實施,迄今為止還沒有區分元器件是否含有某些物質的通用標準。今年3月,中國《電子信息產品污染控制管理辦法》標志著中國RoHS開始全面實施,以推動中國的綠色制造產業。
中國電源管理市場的挑戰和機遇
除了需要面對上述挑戰,整個行業還必須迎接電源技術拐點的挑戰。電源管理方案的復雜程度正在不斷提高,因此總有一天目前的解決方案將無法滿足對電源管理的要求。以PC為例,一方面CPU頻率正在節節上升,另一方面,電流不斷增加和電壓卻在不斷下降。而可供選擇的其他方案,無論是風扇還是液態冷卻,都會使成本大幅度上升,還會降低效率。CPU功耗的提升也使電源管理方案變得越來越昂貴。PC、手機、筆記本電腦、便攜式播放器及其他平臺上的情況也大致如此。
未來幾年,模擬產品領域的主要增長動力將體現在各種穩壓器、PC主板用電源IC、模擬開關、80%以上的能效電源轉換解決方案和高頻運算放大器等。但是,以上所有因素的推動力越強,采用傳統拓撲結構來滿足系統要求的可行性就越低；設計工程師需要面對更快上市時間的要求,因此無法利用一些新興方法所帶來的好處。
幸運的是,業界有像安森美半導體這樣的致力于電源管理模擬器件和分立器件的半導體廠商。他們可以為PC、筆記本電腦、游戲機和手機等高增長數字消費電子產品提供最佳系統效率和完整的電源管理解決方案。這也為OEM廠商提供了開發高電源能效、低待機能耗、符合世界各地節能環保規范和標準,同時滿足今天和未來消費電子產品的高能效電源要求。
安森美半導體領先的電源管理技術
作為中標認證中心授予“中國節能認證合作伙伴”的芯片廠商,安森美半導體在開發產品技術方面一向以節能降耗、提高電源能效為己任。公司開發適用于大多數高增長數字消費電子產品的完整的電源解決方案。
到目前為止,該公司已經推出了多款GreenPoint高效電源解決方案參考設計,分別適用于符合80 PLUS的ATX電源、CRT電視機電源、液晶電視電源、筆記本電腦和顯示器電源、臺式打印機和游戲機電源。為了實現高效的電源管理,安森美半導體不斷開發涵蓋所有電源能效領域的解決方案,其主攻的三個領域是:消耗最多電能的工作狀態的器件能效、閑置(大多數時間)時的器件待機能耗,以及提高電網效率的PFC技術。
GreenPoint解決方案
CRT電視機和平板液晶電視機電源GreenPoint參考設計能夠提供低于1 W的待機能耗,包括了電源的所有功能模塊,符合低待機能耗的國際標準。用于液晶電視和顯示器、筆記本電腦和其他消費電子產品的60 W電源適配器參考設計不僅可滿足待機和工作模式能效規范,簡化繁復的設計,而且是高性價比的解決方案。它包括電源適配器的所有功能模塊,可實現低待機能耗,且符合CEC、美國能源之星及歐洲COC(Code of Conduct)的要求。該設計可提供88%的能效,在待機模式下功耗小于250 mW,進一步節省電能(適配器大多數時間均處于待機模式),而目前大多數60W適配器的待機能耗均為750 mW。
近期推出的300 W GreenPoint ATX電源參考設計在高電壓輸入時可以達到86.5%的滿載高能效,不僅遠高于市場上常見ATX電源70%的能效,更高于“80 PLUS”計劃要求,更接近計算產業氣候拯救行動(CSCI)組織提出的到2011年實現滿載下87%能效的要求。
用于臺式打印機的40 W電源GreenPoint參考設計(圖1),有助于工程師快速推出能夠提供低動態功耗與低待機能耗的電源適配器。在輸出功率介于5 W到40 W時,該參考設計可以提供超過83%的工作模式電源效率,在空載時更可達到小于150 mW的待機能耗,目前常用的40 W打印機在相似情況下的功耗為450 mW。該設計采用的頻率回走技術可以使電源在輕載情況下保持高能效,例如當輸出功率在0.5 W到2 W時,能效會在66%到79%間變化,這些特性使這個GreenPoint參考設計能夠符合從能源之星到歐洲高能效電器組織(GEEA),以及美國1 W待機能耗總統令和日本Eco標章計劃的最嚴苛要求。
圖1. 安森美半導體40 W打印機電源GreenPoint參考設計。
新推出的40 W參考設計可以在瞬間達到80 W的峰值輸出,這項功能特別適合打印機應用,還可在整個88到265 V交流輸入電壓范圍內實現低于100 W的功率過載保護,以符合限制電源(LPS)測試。此外,該設計使用比具備相似能效的40 W電源適配器中更小的大容量電容,可有效節省電路板空間和整體系統成本。
這個參考設計的關鍵器件是NCP1351,這是一款針對低功耗離線反激開關電源(SMPS)設計的電流模式控制器。它采用固定峰值電流技術(固定Ton),可以在負載變低時降低開關頻率。因此,采用NCP1351的電源自然可以提供卓越的待機(空載)能耗,同時也能夠在其他負載情況下達到最佳的能效表現。當頻率下降時,峰值電流會逐漸降低到最大峰值的約30%,以避免變壓器發生機械振蕩,因此可以大幅度降低發生可聽見噪聲的風險,并保持良好的待機能耗表現。
外部可調整定時器可不斷檢測反饋動作,并在短路或過載時提供電源保護。在定時器超時時,NCP1351A和NCP1351C可停止開關動作并保持在鎖定狀態；NCP1351B和NCP1351D則會嘗試重新啟動,NCP1351C和NCP1351D具有雙過電流保護,更適合需要較大瞬變輸出功率如打印機的應用；器件內部結構具備了能夠達到最低可用啟動電流的優化方案,而這正是設計低待機能耗電源的關鍵參數。負電流檢測技術則可以將開關噪聲對控制器工作的影響降到最低,同時讓使用者選擇電流檢測電阻上的最高峰值電壓,對應用的功耗進行優化。
功率因數校正解決方案
降低諧波的PFC能力可以集成在許多電源設計當中。但是設計人員在滿足一些認證要求及其客戶期望的成本時,通常需要面對集成合適PFC段的難度。許多新的PFC拓撲結構和元件的出現,有助于設計人員優化設計以滿足給定應用的需求,還可以最大限度地降低設計人員滿足認證要求的難度。這種方法可以通過簡化主要功率轉換級的設計和不使用常見的波段開關和保持電容器等元件而獲得更多的好處。
去年,安森美半導體就推出了兩款PFC控制器NCP1653和NCP1601,兩款器件是為輸入功率在75 W至幾千瓦的電源設計的,適用于電視機、平板顯示器、臺式電腦和筆記本適配器開關電源、離線電池充電器,以及電冰箱、洗衣機和干衣機等白色家電中的功率因素校正應用。
今年,該公司又擴展了四款PFC控制器,適用于照明、電源適配器、ATX電源、平板電視和其他電源應用,可促進符合全球新興能源效率和功率因數標準的高效電源開發。
其中的NCP1605是一款強化型高電壓和高效率待機模式PFC制器,采用定頻(Fixed Frequency)非連續導電模式(DCM,Discontinuous Conduction Mode)或臨界導電模式(CRM,Critical Conduction Mode)工作。該器件集成了構建穩固PFC段電路的所有功能,可以采用PFC主控端方式工作,確保電源的第二段電路只有在安全情況下才會啟動。另外,它還集成了跳周期能力,可將待機能耗降到最低及提高輕載能效。
圖2. 強化型高電壓和高效率待機模式PFC制器NCP1605。
NCP1606是一個CRM PFC控制器,適用于電子鎮流器預先轉換、交流電適配器和平板電視以及其他中低功率的300W離線轉換器應用。該器件集成了可調整的過壓保護和內置欠壓保護功能。NCP1606A和NCP1606B是完全兼容業內標準器件腳位的直接替代選擇,其中NCP1606B可通過更小過壓保護電流和更低的電流檢測臨界值進一步降低功耗。
NCP1654和NCP1655是連續導電模式PFC控制器,可控制定頻模式的功率轉換開關導通時間,同時集成了高度安全性的保護功能,如輸入欠壓保護,可將實現電路所需的外部器件數降到最少。NCP1654腳位完全兼容業內標準器件。
以上這些可供實現PFC應用的器件有助于設計人員為其應用實驗和選擇最佳的方法。易于使用的設計工具可加快設計進度并減小設計難度。隨著能量認證標準在全球的迅速推進,PFC電路將繼續滲透進越來越多的系統。
標準產品與IC雙管齊下
電子系統越來越復雜,需要包羅多樣的半導體器件。因此,除了上述的GreenPoint等電源解決方案,安森美半導體還提供標準產品,包括時鐘和電路保護等,有助于客戶解決與功率和系統有關的問題。
時鐘應用的范圍非常廣泛,而且在不斷擴大。聯網/通信(基站、路由器/交換機)、消費類/無線電子產品(機頂盒/DVR、數字TV/LCD、游戲、便攜式PDA/手機/媒體播放器)、計算機(筆記本/PC、服務器/工作站)等等,都離不開時鐘產品。安森美半導體可以提供多種時鐘產生產品,包括產生時鐘信號及其導數的PLL放大器和分壓器。
在高能應用、中型能量應用和低能/高壓應用幾個方面,安森美半導體也有不同的解決方案。晶閘管TSPD是功率最高的硅芯片轉換器件,雷擊時可將最低鉗制電壓以100倍安培電流接地。這種器件正在取代大多數新型PABX和電信交換機中的GDT。TVS二極管可提供最低的鉗制電壓,且不會降低服務水準,是抵御雷電及電感負載轉換引起的瞬變電壓導致的計算機網絡、工廠自動化設備、數據網絡及車載電子系統故障的最佳選擇。電容極低的齊納二極管ESD保護器件適用于高數據速率保護,還以消費類電子產品價位提供了最低箝制電壓。可以避免人體產生的ESD及耦合雷電容對個人娛樂及信息系統產生損害。
安森美半導體的NP系列TSPD可應用電信/寬帶接入網絡,防止復雜而敏感的IC受到瞬變電壓的威脅,有利于環境較少受控的遠程設備以及密度增大的板卡的保護。
今天,分立器件在不能集成的功能方面仍然起著關鍵作用,例如有效的ESD保護就不能完全集成到CMOS芯片中。安森美半導體的ESD二極管與多層可變電阻相比,具有更好的箝制性能、更低的泄漏和更長的使用壽命。
專業的設計團隊與高效的供應鏈管理
為了更加貼近客戶,近幾年安森美半導體根據客戶的不同需求相繼在世界各地建立了解決方案工程中心(SEC),幫助他們開發新產品,而每個SEC都有不同的焦點,如首爾的聚焦在無線產品電源方案；臺北和波特蘭的則側重計算機和電源應用；San Jose的專注消費類和無線。今年,該公司打算在慕尼黑、芝加哥和中國建立SEC。這些SEC為客戶提供啟匙方案,利用先進的平臺加快客戶開發各種高性能產品的進程。
除了應對工程技術方面的挑戰,半導體廠商還需要解決客戶產線轉移、市場全球化、建立新的供應鏈體系等問題。2006年,安森美半導體付運了300多億顆芯片,涉及產品15,000余種。如果沒有一個強大的物流/供應鏈管理體系,要實現這樣的業績是難以想象的。安森美半導體已建立起一個后臺運行且完全兼容的供應鏈體系來解決供應平衡的問題。即使客戶需要最新的產品,該公司完全可以提供不含鉛的產品。
采用這樣的供應鏈體系不僅可以節約運營成本,更重要的是在對客戶的持續生產、增加產量方面可以起到積極的作用,保證為客戶想要的時間、地點和渠道供貨,這對中國市場尤其重要。
總結
作為業內領先的廠商,安森美半導體領先的電源管理技術可幫助企業簡化產品設計、加速產品上市,從而提高企業自身的競爭力。更為重要的是,安森美半導體提供的解決方案為企業開發出高效節能、環保清潔的優質產品奠定了基礎。
