高效電源管理方案

魯　冰

摘要：低能耗高效率是電子產(chǎn)品追求的目標。本文簡介一些高能效電源管理方案，這包括自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)、數(shù)字降頻技術(shù)、多相變換器、負電荷泵、交錯式臨界導(dǎo)通PFC等。

關(guān)鍵詞：高能效；電源管理；能源效率

消費者需要安全的生活環(huán)境，并希望充分發(fā)揮創(chuàng)新潛能以保護我們的地球。消費需求正在驅(qū)動著一個全新的市場發(fā)展大趨勢，關(guān)注的焦點是再生能源、醫(yī)療診斷與檢測設(shè)備以及無處不在的個人移動設(shè)備等。

低能耗高效率是電子產(chǎn)品市場追求的目標。為了更好地保護能源，人類在減少能源消耗的同時還要努力提高能源使用效率。2009年電子產(chǎn)品市場的主流仍然是低能耗高效率。為此各個半導(dǎo)體廠商開發(fā)出不同的高能效電源解決方案，下面簡介一些高能效電源管理方案。

自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)

美國國家半導(dǎo)體(NS)的PowerWise是高能源效率產(chǎn)品系列，采用自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)(AVS)架構(gòu)。AVS可以利用電源管理技術(shù)調(diào)整供電電壓，也可以利用內(nèi)部供電調(diào)整技術(shù)調(diào)整輸出、確保數(shù)字CMOS邏輯電路的功耗可以大幅減少：AVS可以主動監(jiān)視數(shù)字電路的工作情況，并根據(jù)其實際用電需要提供適量的供電。AVS比傳統(tǒng)的固定電壓系統(tǒng)節(jié)省高達64％的耗電(見圖1)。

舉例說明PowerWire系列產(chǎn)品的一個高效率應(yīng)用方案。許多應(yīng)用要求輸入電壓范圍比較大(如汽車應(yīng)用，汽車電池一般為12V或24V，在尖峰情況下可能會達到40V)。由于輸入電壓很高而輸電壓很低(或輸出電流很高)，因此需要使用大降壓比的轉(zhuǎn)換器。具有大降壓比和低輸出電壓特性的功率轉(zhuǎn)換器一般采用兩級轉(zhuǎn)換，第一級轉(zhuǎn)換是將高輸入電壓轉(zhuǎn)換為中間電壓，第二級轉(zhuǎn)換則將中間電壓轉(zhuǎn)換為需要的低輸出電壓。效率是兩級轉(zhuǎn)換器所需關(guān)注的一個主要問題。盡管個別級的轉(zhuǎn)換可以達到較高的效率，但是整體效率卻可能很低，整體效率僅在60％｀70％左右，因為整體效率是各轉(zhuǎn)換級效率之乘積。

與兩級轉(zhuǎn)換相比，寬輸入和低反饋電壓的同步降壓轉(zhuǎn)換器具有更高的效率，例如NS公司的LM3103(屬于PowerWire系列產(chǎn)品的一款產(chǎn)品，輸入電壓可高達42V，輸出電壓可低至0.6V)單級轉(zhuǎn)換效率比兩級轉(zhuǎn)換器的整體效率高出5％～10％(圖2)。LM3103的應(yīng)用電路示于圖3。

數(shù)字降頻技術(shù)

在能源問題受到越來越多廣泛關(guān)注的今天、大部分電源標準不僅規(guī)定了滿載時的效率，而且還規(guī)定了整個負載范圍的平均效率，例如Energy Star 2.0規(guī)定的平均效率為87％。數(shù)字降頻方法可以更方便地提高平均效率。

準諧振反激式變換器的開關(guān)損耗比固定頻率的反激式變換器低，而且EMI性能更好，所以這種變換器得到廣泛的應(yīng)用。準諧振反激式變換器面臨的挑戰(zhàn)之一是其開關(guān)頻率隨輸出功率的下降而上升。這低消了通過準諧振方式工作而帶來的效率提升，特別是在中等負載或低負載條件下。為了解決這一問題，英飛凌的準諧振PWM控制器ICE 2QS02G采用了數(shù)字降頻方法。此器件同時采用數(shù)字信號處理電路和模擬信號處理電路。數(shù)字信號處理電路包括一個加／減計數(shù)器、一個過零信號計數(shù)器和一個數(shù)字平均器：模擬電路包括一個電流測量單元和一個平均器。導(dǎo)通和關(guān)斷的時間點分別由數(shù)字電路和模擬電路決定。在滿載和輕載條件下，數(shù)字降頻使MOSFET分別在不同的過零信號點導(dǎo)通。在輕載工作條件下，開關(guān)頻率被有效地降低到一個相當?shù)偷乃?，同時開關(guān)動作仍有效進行，從而確保了輕載時的高效率。為了驗證數(shù)字降頻方法對提升效率所具有的效果，英飛凌設(shè)計了兩種采用ICE2QS02G且不帶同步整流的準諧振反激式變換器原型，其效率測試結(jié)果示于圖4。從圖4所示效率測試結(jié)果可以看出，采用數(shù)字降頻方法可以顯著地提高系統(tǒng)的綜合效率，從圖4(b)還可看出采用CoolMOS 800V的方案甚至在低電壓和高電壓兩種條件下都達到90％的超高效率。

多相變換器

預(yù)測到2010年處理器將工作在1V和100A，到2020年希望處理器的電源電壓將是0.7v和更高電流。處理器工作在1V，100A(或更高)和GHz頻率時的高效電源管理(采用當今的元件和技術(shù)可達到的效率為70％～80％)成為設(shè)計人員面對的困難任務(wù)。

可以滿足當今處理器電源要求的唯一拓撲是多相開關(guān)模式變換器。這種拓撲采用兩個或更多相同組合單元，把這些單元的輸出連接起來，其輸出是所有單元輸出的總和。隨著工作電流要求的增高，需要有更多的單元(相)。一個最佳的設(shè)計需要折衷考慮相數(shù)、每個相的電流、開關(guān)頻率、成本、尺寸和效率。更高的輸出電流和更低的電壓，需要更嚴格的輸出電流調(diào)整。多相設(shè)計可采用幾種實用的方法。

·采用帶集成MOSFET驅(qū)動器的PWM控制器IC。然而，片上柵極驅(qū)動器產(chǎn)生的熱和噪聲會影響控制器性能。級連這類芯片以增加更多相是不現(xiàn)實的。用這種配置實現(xiàn)精確的電流均分是困難的，這種方法三相是限制相數(shù)。

·采用分離的控制器和分離的柵極驅(qū)動器，使PWM控制器與柵極驅(qū)動器的熱和噪聲隔離。然而，電流均分會更復(fù)雜，因為電流感測信號路由到控制器：另外還有控制器，驅(qū)動器延遲，這是因為它們是分離的IC。

·采用帶集成柵極驅(qū)動器和內(nèi)置同步及電流均分的控制器。這種方法只允許偶數(shù)相數(shù)。然而，片上所產(chǎn)生的驅(qū)動器熱和噪聲可能會降低控制器性能。

上面 所述三種方法在選擇相數(shù)中不能提供所需的自由度。理想的方法是一種可伸縮的拓撲，它能容易地增加或去除任意多相單元，必須能夠在分布的相單元中相等地均分電流。

·DrMOS。配置小尺寸、可伸縮多相變換器的一種方法是采用DrMOS(Driver-MOsFET)模塊(圖5)。DrMOS模塊包括驅(qū)動器和功率MOSFET，設(shè)計用于多相變換器。Fairchild公司的FDMF8700是一款支持Intel的DrMOS Vcoredc-dc變換器標準、用于大電流同步降壓應(yīng)用的FET加驅(qū)動器的多芯片模塊。這是一個完全集成的功率級方案，它替代一個12V驅(qū)動器IC和三個N溝MOSFET，與分立元件方案相比節(jié)省板空間50％。Fairchild家庭的DrMOS多芯片模塊還有FDMF6700、FDMF8704、FDM8705。圖6示出由FDMF8704和PWM控制器組成的四相電壓穩(wěn)壓器電路。Renesas公司的RZJ20602NP集成一個驅(qū)動器IC和高、低端功率MOSFET在S6引腳QFN封裝中，它工作在高達2MHz開關(guān)頻率、最大輸出電流40A，工作在1MHz、V_IN=12V、

V_OUT=1.3V時最高效率接近87％。

負電荷泵架構(gòu)

效率的提高對蜂窩電話這類應(yīng)用顯得尤為重要，更高的效率相應(yīng)具有更長的通話時間。

蜂窩電話背光是功耗的主要部分。理想情況下，設(shè)計人員希望在不損失任何效率的前提下采用全部電池電壓直接驅(qū)動(即1倍壓模式下沒有壓降)白光和RGB LED。顯然要實現(xiàn)這一目標，采用電池和LED之間的正電荷泵是不可能的。這種配置架構(gòu)在電源回路中產(chǎn)生一個額外的壓降，降低了LED上的驅(qū)動電壓。當驅(qū)動電壓不足時，電荷泵打開。因此，正電荷泵開始工作的電壓較高，降低了效率。采用1倍壓模式將延長電池的使用壽命。但要實現(xiàn)零壓降、典型的方案需要去掉正電荷泵，對于這種架構(gòu)來說這是不可能的。

一般方案并不為各個LED分別供電。電路監(jiān)控所有LED輸出。當任意一個LED電流低于預(yù)設(shè)值時、正電荷泵打開。當系統(tǒng)LED正向電壓存在較大不匹配時，最高的LEDV_F(正向壓降)將觸發(fā)電荷泵對電池電壓進行升壓。這樣，那些具有較低V_F的LED所對應(yīng)的電流調(diào)節(jié)器將消耗額外的電壓和功率。因此，V_F越不匹配以及LED數(shù)目越多、功耗就越大?？梢曤娫挕⒅悄苁謾C和多媒體播放器采用五路或更多LED，不匹配問題將進一步加劇功耗問題。

Maxim公司的MAX8647負電荷架構(gòu)消除了電池至LED之間的線路阻抗。因此，當電池放電時，該器件延遲1～1.5倍壓模式之間的切換。自適應(yīng)切換技術(shù)分別對各個LED供電、調(diào)光和穩(wěn)流。該新技術(shù)將LED效率提高12％(圖7)。

交錯式臨界導(dǎo)通PFC

“能源之星”(Energy Star)和“電腦節(jié)能拯救氣候行動”(Climate Savers Computing Initiative)要求數(shù)字電視、臺式電腦和入門級服務(wù)器、前端電信系統(tǒng)的電源系統(tǒng)具有高效率低功耗。飛兆半導(dǎo)體的交錯式臨界導(dǎo)通(Interleaved Boundary Conduction Mode)PFC(功率因數(shù)校正)控制器FAN9612采用交錯方式能為AC-DC電源提供超過96％的效率其額定功率范圍100W～1000W。它采用兩個并連180°相差的升壓功率級。由于FAN9612采用交錯方式，并在所有運作條件下都保持兩個功率級精確的180°相差、因此能夠降低導(dǎo)通損耗：其自動切相功能使輕負載下僅有一個通道運作，將功耗減至最??；其谷底開關(guān)(Valley switching)技術(shù)將MOSFET開啟損耗減至最低。這種交錯式臨界導(dǎo)通PFC為綠色電源提供高效率AC-DC電源，采用FAN9612的PFC電路示于圖8。

結(jié)語

低能耗高效率是電子產(chǎn)品追求的目標。人們在減少能源消耗的同時，還要努力提高能使用效率。為此涌現(xiàn)出各種不同的高能效電源解決方案和技術(shù)，這包括自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)、數(shù)字降頻技術(shù)、多相變換器、負電荷泵、交錯式臨界導(dǎo)通模式等。隨著消費需求、節(jié)能和電子設(shè)備必須遵守強制性能效規(guī)范，必將會涌現(xiàn)出新的低能耗高效率電源管理方案和技術(shù)。