關(guān)鍵電源及LED照明應(yīng)用的最新高能效規(guī)范要求、設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)及解決方案

在人們環(huán)保意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)的今天，節(jié)能絕不僅僅是熱點(diǎn)議題，更是各國(guó)重要規(guī)范機(jī)構(gòu)和業(yè)界領(lǐng)先廠商切切實(shí)實(shí)的行動(dòng)項(xiàng)目。環(huán)顧我們的工作及生活環(huán)境，那些最常用、最常見(jiàn)或有極具節(jié)能潛力的電子電器自然首先成為節(jié)能行動(dòng)目標(biāo)，如計(jì)算機(jī)、平板電視、機(jī)頂盒、適配器/外部電源等電源應(yīng)用及發(fā)光二極管(LED)照明等。全球重要的規(guī)范機(jī)構(gòu)，如美國(guó)“能源之星”、美國(guó)80 PLUS、歐洲能效行為準(zhǔn)則(COC)、歐盟EuP、日本Top Runner、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院等，針對(duì)這些關(guān)鍵應(yīng)用發(fā)布更新、更多的高能效規(guī)范，讓電子產(chǎn)品能夠以更少的電能來(lái)執(zhí)行相同的功能，提高電能使用的效率。

以多路輸出臺(tái)式機(jī)ATX電源為例，80 PLUS銀級(jí)規(guī)范、計(jì)算產(chǎn)業(yè)氣候拯救行動(dòng)(CSCI)銀級(jí)規(guī)范自2009年7月開(kāi)始生效，要求多路輸出臺(tái)式機(jī)ATX電源在額定輸出功率的20%、50%和100%等條件下能效分別達(dá)到85%、88%及85%。后續(xù)的80 PLUS金級(jí)和CSCI金級(jí)規(guī)范將于2010年7月開(kāi)始生效，進(jìn)一步將能效要求提高到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(yè)界關(guān)注的問(wèn)題。“能源之星”針對(duì)電視的4.0版規(guī)范將于2010年5月1日生效，這規(guī)范要求可視屏幕對(duì)角尺寸為32英寸、42英寸和60英寸的平板電視在工作模式的能耗分別不超過(guò)78 W、115 W和210 W，而后續(xù)將于2012年5月1日生效的5.0版規(guī)范則進(jìn)一步要求這幾種尺寸平板電視工作能耗不超過(guò)55 W、81 W和108 W，參見(jiàn)表1。歐洲的EuP指令也有著類(lèi)似要求。除了要求工作能耗降低，這些規(guī)范還要求降低待機(jī)能耗，因?yàn)閿?shù)據(jù)顯示，可觀的電能是在待機(jī)模式下消耗的?！澳茉粗恰钡饶苄б?guī)范當(dāng)前對(duì)待機(jī)能耗的要求是不超過(guò)1 W，未來(lái)可能要求不超過(guò)0.3 W甚至是不超過(guò)0.1 W。
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而在筆記本電腦等產(chǎn)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(guī)范已于2008年11月1日開(kāi)始生效。以“能源之星”的2.0版外部電源規(guī)范為例，這規(guī)范要求輸出功率大于49 W的外部電源(典型產(chǎn)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(jī)(空載)能耗從不超過(guò)750 mW降低到不超過(guò)500 mW，而功率因數(shù)(PF)也要求不低于0.9。歐盟EuP生態(tài)設(shè)計(jì)指令2005/32/EC規(guī)范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(kāi)始生效，其中第一階段的要求是輸出功率大于51 W的外部電源工作能效不低于85%，空載能耗不超過(guò)500 mW，第二階段的空載能耗要求不變，但能效要求提開(kāi)至87%。

除了這些應(yīng)用，LED照明或稱(chēng)固態(tài)照明(SSL)如今也是炙手可熱的應(yīng)用，1.0版的“能源之星”SSL規(guī)范已自2008年10月1日生效，要求關(guān)態(tài)(off-state)能耗為零，最低能效要求根據(jù)應(yīng)用的不同(如聚光燈、戶(hù)外燈等)而不同，功率因數(shù)要求方面，商業(yè)應(yīng)用是不低于0.9，住宅應(yīng)用是不低于0.7。

電源及LED照明應(yīng)用設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
這些關(guān)鍵電源及LED照明應(yīng)用為設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)了挑戰(zhàn)，既需要增加能效密度，又要改善功率因數(shù)，并提高產(chǎn)品的可靠性。

具體而言，由于總能效要求及散熱限制，設(shè)計(jì)工程師必須致力提升能效，即便是在低功率應(yīng)用(或輕載)時(shí)也是如此。此外，并不是只有在較高功率電平時(shí)才要求功率因數(shù)校正(PFC)，相對(duì)較低的功率時(shí)也可能要求PFC。此外，這些應(yīng)用中常常會(huì)面臨空間受限的問(wèn)題，特別是在以LED照明替代傳統(tǒng)燈泡的應(yīng)用中。總體可靠性也非常重要。輸入電源范圍也要更寬，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(kāi)關(guān)元件(TRIAC)調(diào)光等。?

應(yīng)對(duì)策略
要應(yīng)對(duì)這些關(guān)鍵電源及LED照明應(yīng)用的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，需要采用更新的技術(shù)或優(yōu)化的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及方案。

以平板電視應(yīng)用為例，為將能效提至最高，可將傳統(tǒng)采用的冷陰極熒光燈(CCFL)背光替換為新興的LED背光，如直下式背光或側(cè)光式背光，不僅有助于纖薄型電視設(shè)計(jì)，還幫助降低能耗，提升能效。如果維持采用目前性忦比仍然更高的CCFL背光，也可以采取不同的有效措施，如在提供同等光輸出的條件下減少燈數(shù)量及降低能耗，或采用新穎的逆變器驅(qū)動(dòng)器方案，如液晶電視集成電源(LIPS)，減少一個(gè)電源轉(zhuǎn)換段，提升能效并降低成本。

安森美半導(dǎo)體以領(lǐng)先產(chǎn)品及方案來(lái)支持高能效趨勢(shì)
安森美半導(dǎo)體身為首要的高性能、高能效硅方案供應(yīng)商，提供電源管理及LED照明方案來(lái)節(jié)能，幫助客戶(hù)滿(mǎn)足并超越世界各地的電源規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)(工作能效、待機(jī)能耗、低靜態(tài)電流及功率因數(shù)校正等)，成本平價(jià)或比傳統(tǒng)方案更低。

需要強(qiáng)調(diào)的是，安森美半導(dǎo)體采用整體途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)高能效，包括：
1)降低待機(jī)(空載)能耗。包括使用準(zhǔn)諧振(谷底開(kāi)關(guān))、在2段式轉(zhuǎn)換器關(guān)閉PFC段等更好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及采用頻率反走、跳周期、軟跳周期和高壓自舉(bootstrap)電路等新技術(shù)。

2)提升電源工作能效。包括使用更好的器件，如場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)和二極管，以及使用更好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如頻率反走、同步整流，及準(zhǔn)諧振、完全諧振、有源鉗位(反激或正激)等軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。

3)功率因數(shù)校正(或減少諧波)。包括將PFC與主轉(zhuǎn)換器結(jié)合，以及優(yōu)化指定應(yīng)用和電平的PFC控制模式，如非連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)、臨界導(dǎo)電模式(CrM)或連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)。

安森美半導(dǎo)體針對(duì)這些關(guān)鍵的電源及LED照明應(yīng)用提供眾多的領(lǐng)先產(chǎn)品，如PFC控制器、交流-直流(AC-DC)控制器、高壓MOSFET、LED驅(qū)動(dòng)器、整流器、次級(jí)同步整流控制器、直流-直流(DC-DC)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器及低壓降(LDO)穩(wěn)壓器，并基于這些領(lǐng)先產(chǎn)品提供高能效的GreenPoint?參考設(shè)計(jì)，用于ATX電源、筆記本及打印機(jī)電源適配器、電視、固態(tài)照明及其它應(yīng)用。
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圖1：安森美半導(dǎo)體用于ATX臺(tái)式機(jī)的能效高于85%的255 W電源參考設(shè)計(jì)

例如，安森美半導(dǎo)體用于臺(tái)式機(jī)ATX電源的255 W GreenPoint?電源參考設(shè)計(jì)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能效高于85%，符合80 PLUS銀級(jí)能效規(guī)范及“能源之星”5.0版臺(tái)式機(jī)電源規(guī)范，并符合IEC61000-3-2功率因數(shù)要求，功率因數(shù)在多種輸入電壓條件下高于0.95。值得一提的是，這些數(shù)據(jù)均是在41長(zhǎng)的線纜末端獲得，經(jīng)過(guò)了完全測(cè)試，強(qiáng)固且性?xún)r(jià)比高，屬于可投產(chǎn)型設(shè)計(jì)，參見(jiàn)圖1。

又如，在通用LED照明應(yīng)用方面，安森美半導(dǎo)體對(duì)一款從零售商店購(gòu)得的鹵素?zé)襞_(tái)燈，采用LED模塊進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。原35 W鹵素?zé)粼?20 Vac時(shí)的輸入功率為41.7 W，亮度為744流明，而基于安森美半導(dǎo)體NCP1014構(gòu)建的LED模塊的LED臺(tái)燈在120 Vac條件下的輸入功率僅為10.9 W，即能耗僅相當(dāng)于傳統(tǒng)鹵素?zé)舻?/4，但光輸出卻高于鹵素?zé)?，達(dá)到795流明。這采用LED模塊的新臺(tái)燈設(shè)計(jì)既減小產(chǎn)品體積，又極佳地實(shí)現(xiàn)節(jié)能。這LED模塊的電路圖參見(jiàn)圖2。
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圖2：采用基于NCP1014的LED模塊重新設(shè)計(jì)的臺(tái)燈的電路圖

安森美半導(dǎo)體旨在成為高質(zhì)量、高性?xún)r(jià)比、高性能電源管理方案的首選供應(yīng)商，除了推出關(guān)鍵的控制、驅(qū)動(dòng)及電源轉(zhuǎn)換IC，還配合推出高壓MOSFET及整流器產(chǎn)品，并提供豐富的整流器封裝系統(tǒng)，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(jié)：
計(jì)算機(jī)、平板電視、適配器等關(guān)鍵電源應(yīng)用及LED照明應(yīng)用面臨更高能效要求，并為設(shè)計(jì)人員帶來(lái)挑戰(zhàn)。安森美半導(dǎo)體現(xiàn)有構(gòu)建高能效電源及LED照明應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù)及產(chǎn)品，且是完整解決方案供應(yīng)商，提供高性能、低系統(tǒng)總成本的差異化GreenPoint?參考設(shè)計(jì)，既提升工作能效，又降低待機(jī)能耗，同時(shí)還提供高功率因數(shù)，以整體途徑幫助客戶(hù)符合或超越世界各地的高能效規(guī)范要求。