安森美半導體:關鍵電源及LED照明應用的最新高能效規範要求、設計挑戰及解決方案

在人們環保意識越來越強的今天,節能絕不僅僅是焦點議題,更是各國重要規範機構和業界領先廠商切切實實的行動方案。環顧我們的工作及生活環境,那些最常用、最常見或有極具節能潛力的電子電器自然首先成為節能行動目標,如計算機、平板電視、機頂盒、適配器/外部電源等電源應用及發光二極管(LED)照明等。全球重要的規範機構,如美國「能源之星」、美國80 PLUS、歐洲能效行為準則(COC)、歐盟EuP、日本Top Runner、中國標準化研究院等,針對這些關鍵應用發佈更新、更多的高效能規範,讓電子產品能夠以更少的電能來執行相同的功能,提高電能使用的效率。

以多路輸出台式機ATX電源為例,80 PLUS銀級規範、計算產業氣候拯救行動(CSCI)銀級規範自2009年7月開始生效,要求多路輸出台式機ATX電源在額定輸出功率的20%、50%和100%等條件下能效分別達到85%、88%及85%。後續的80 PLUS金級和CSCI金級規範將於2010年7月開始生效,進一步將效能要求提高到87%、90%和87%。

又如平板電視,隨著尺寸的增大,其能耗日益成為業界關注的問題。「能源之星」針對電視的4.0版規範將於2010年5月1日生效,這規範要求可視屏幕對角尺寸為32英吋、42英吋和60英吋的平板電視在工作模式的能耗分別不超過78 W、115 W和210 W,而後續將於2012年5月1日生效的5.0版規範則進一步要求這幾種尺寸平板電視工作能耗不超過55 W、81 W和108 W,參見表1。歐洲的EuP指令也有著類似要求。除了要求工作能耗降低,這些規範還要求降低待機能耗,因為數據顯示,可觀的電能是在待機模式下消耗的。「能源之星」等效能規範當前對待機能耗的要求是不超過1 W,未來可能要求不超過0.3 W甚至是不超過0.1 W。

表1:「能源之星」4.0版及5.0版電視規範的工作能耗要求

而在筆記本電腦等產品中廣泛使用的適配器/外部電源方面,「能源之星」的2.0版規範已於2008年11月1日開始生效。以「能源之星」的2.0版外部電源規範為例,這規範要求輸出功率大於49 W的外部電源(典型產品如筆記本適配器)的工作能效從1.1版的84%提升至87%,待機(空載)能耗從不超過750 mW降低到不超過500 mW,而功率因數(PF)也要求不低於0.9。歐盟EuP生態設計指令2005/32/EC規範No 278/2009的第一階段和第二階段要求分別將自2010年4月及2011年4月開始生效,其中第一階段的要求是輸出功率大於51 W的外部電源工作能效不低於85%,空載能耗不超過500 mW,第二階段的空載能耗要求不變,但效能要求提開至87%。

除了這些應用,LED照明或稱固態照明(SSL)如今也是炙手可熱的應用,1.0版的「能源之星」SSL規範已自2008年10月1日生效,要求關態(off-state)能耗為零,最低能效要求根據應用的不同(如聚光燈、戶外燈等)而不同,功率因數要求方面,商業應用是不低於0.9,住宅應用是不低於0.7。

電源及LED照明應用設計挑戰
這些關鍵電源及LED照明應用為設計工程師帶來了挑戰,既需要增加效能密度,又要改善功率因數,並提高產品的可靠性。

具體而言,由於總能效要求及散熱限制,設計工程師必須致力提升效能,即便是在低功率應用(或輕載)時也是如此。此外,並不是只有在較高功率電平時才要求功率因數校正(PFC),相對較低的功率時也可能要求PFC。此外,這些應用常常會面臨空間受限的問題,特別是在以LED照明替代傳統燈泡的應用中。總體可靠性也非常重要。輸入電源範圍也要更寬,支持277 Vac電壓。此外,還面臨一些特定照明要求,如三端雙向可控硅開關元件(TRIAC)調光等。 

應對策略
要應對這些關鍵電源及LED照明應用的設計挑戰,需要採用更新的技術或優化的電源拓撲結構及方案。

以平板電視應用為例,為將能效提至最高,可將傳統採用的冷陰極螢光燈(CCFL)背光替換為新興的LED背光,如直下式背光或側光式背光,不僅有助於纖薄型電視設計,還幫助降低能耗,提升效能。如果維持採用目前性忦比仍然更高的CCFL背光,也可以採取不同的有效措施,如在提供同等光輸出的條件下減少燈數量及降低能耗,或採用新穎的逆變器驅動器方案,如液晶電視集成電源(LIPS),減少一個電源轉換段,提升能效並降低成本。

安森美半導體以領先產品及方案來支持高效能趨勢
安森美半導體身為首要的高性能、高效能矽方案供應商,提供電源管理及LED照明方案來節能,幫助客戶滿足並超越世界各地的電源規範標準(工作能效、待機能耗、低靜態電流及功率因數校正等),成本平價或比傳統方案更低。

需要強調的是,安森美半導體採用整體途徑來實現高能效,包括:
1)降低待機(空載)能耗。包括使用准諧振(谷底開關)、在2段式轉換器關閉PFC段等更好的拓撲結構,以及採用頻率反走、跳週期、軟跳週期和高壓自舉(bootstrap)電路等新技術。

2)提升電源工作效能。包括使用更好的器件,如場效應晶體管(FET)和二極管,以及使用更好的拓撲結構,如頻率反走、同步整流,及准諧振、完全諧振、有源鉗位(反激或正激)等軟開關技術。

3)功率因數校正(或減少諧波)。包括將PFC與主轉換器結合,以及優化指定應用和電平的PFC控制模式,如非連續導電模式(DCM)、臨界導電模式(CrM)或連續導電模式(CCM)。

安森美半導體針對這些關鍵的電源及LED照明應用提供眾多的領先產品,如PFC控制器、交流-直流(AC-DC)控制器、高壓MOSFET、LED驅動器、整流器、次級同步整流控制器、直流-直流(DC-DC)開關穩壓器及低壓降(LDO)穩壓器,並基於這些領先產品提供高能效的GreenPoint®參考設計,用於ATX電源、筆記本及打印機電源適配器、電視、固態照明及其它應用。

圖1:安森美半導體用於ATX台式機的能效高於85%的255 W電源參考設計

例如,安森美半導體用於台式機ATX電源的255 W GreenPoint®電源參考設計在100、115、230及240 Vac輸入電壓條件及25%、50%及100%額定輸出功率等條件下的效能高於85%,符合80 PLUS銀級能效規範及「能源之星」5.0版台式機電源規範,並符合IEC61000-3-2功率因數要求,功率因數在多種輸入電壓條件下高於0.95。值得一提的是,這些數據均是在41長的線纜末端獲得,經過了完全測試,強固且性價比高,屬於可投產型設計,參見圖1。

又如,在通用LED照明應用方面,安森美半導體對一款從零售商店購得的鹵素燈檯燈,採用LED模塊進行重新設計。原35 W鹵素燈在120 Vac時的輸入功率為41.7 W,亮度為744流明,而基於安森美半導體NCP1014構建的LED模塊的LED檯燈在120 Vac條件下的輸入功率僅為10.9 W,即能耗僅相當於傳統鹵素燈的1/4,但光輸出卻高於鹵素燈,達到795流明。這採用LED模塊的新檯燈設計既減小產品體積,又極佳地實現節能。這LED模塊的電路圖參見圖2。

圖2:採用基於NCP1014的LED模塊重新設計的檯燈的電路圖

安森美半導體旨在成為高質量、高性價比、高性能電源管理方案的首選供應商,除了推出關鍵的控制、驅動及電源轉換IC,還配合推出高壓MOSFET及整流器產品,並提供豐富的整流器封裝系統,包括新的SO-8 FL整流器封裝,其熱性能幾乎與DPAK小巧封裝一樣好。

總結
計算機、平板電視、適配器等關鍵電源應用及LED照明應用面臨更高能效要求,並為設計人員帶來挑戰。安森美半導體現有構建高效能電源及LED照明應用的先進技術及產品,且是完整解決方案供應商,提供高性能、低系統總成本的差異化GreenPoint®參考設計,既提升工作效能,又降低待機能耗,同時還提供高功率因數,以整體途徑幫助客戶符合或超越世界各地的高能效規範要求。

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