高能效家电电源管理技术应对低碳时代挑战
2010-12-17 17:31:49
来源：《半导体器件应用》2010年4月刊
点击：1117
低碳经济对所有行业提出了节能减排、绿色发展的要求；各种电子设备势必要符合世界各地的能效规范标准。对家电来说，除了满足不断增加功能的趋势，采用电源管理技术也已成为产品竞争力的重要体现。如今，节能设计已成为家电设备及IC厂商共同关注的焦点，迎合低碳经济时代的电源管理技术面临着更多的市场机会和挑战。
电源管理技术推动产品创新
电源系统设计人员面临的压力日益加大，必须应对极其复杂和密集的电源要求。为此，他们需要能够在各种工作频率和负载条件下更加灵活、更加可靠且性能更出色的电源管理芯片；此外，绿色高效及节能的电源方案还要满足实现创新性技术改进的要求，在价格方面也要具有竞争力。
电源管理技术的主要发展趋势是更高的功率密度或以更小尺寸提供相同的功率、低待机功耗、更高的可靠性，以及较低的价格。这些趋势并非互不相干，因为各个因素之间存在着权衡取舍。例如，更高的效率有助于实现更高的功率密度和更高的可靠性，散热也更少，但却可能增加价格。如何实现这些因素之间的完美平衡给电源IC厂商提出了新的课题。
先进电源管理技术在家电中的应用
电源管理正在推动家电领域新一轮的产品创新。为了满足更严格电源能效规范要求，利用高效节能技术推动家电领域的产品创新，安森美半导体推出了很多用于家电的整体电源管理方案，其中包括用于电源和电源适配器的功率因数(PFC)控制器；用于各种电源的交流-直流(AC-DC)控制器和直流-直流(DC-DC)控制器、稳压器、MOSFET及整流器；用于空调及冰箱压缩机电机驱动的功率器件（MOSFET开关/驱动器、IGBT开关/驱动器和三端双向可控硅开关元件等）、用于LCD-TV的LED背光驱动控制器；此外还有用于电视机的高能效GreenPoint®电源解决方案参考设计。
从功能上讲，安森美半导体的方案可以帮助家电电源工程师增强电源能效，其一是提高电源工作效率，可采用更好的器件，如场效应管和二极管；采用更好的拓扑结构，如频率反走、同步整流，以及准谐振、完全谐振、有源钳位（反激或正激）等软开关技术；其二是降低待机能耗，可采用更好的拓扑结构，如准谐振（谷底开关）、在2段式转换器关闭PFC段；采用新技术，如频率反走、跳周期、软跳周期、高压自举电源等；其三是实现功率因数校正，可将PFC段与主转换器结合，优化指定应用和电平的PFC工作模式。
此外，安森美半导体还在不断研发新的技术来提高能效，如以交错式PFC或无桥PFC来提高PFC能效；以有源钳位正激(ACF)、双电感加单电容(LLC)等软开关拓扑结构和交错式LLC等提高脉宽调制(PWM)能效；采用次级同步整流技术来提高次级转换能效。
安森美半导体电源管理IC应用实例
家电产品正趋向于把待机能耗降到极低。这里，我们将以LCD-TV为例介绍安森美半导体电源管理IC在家电中的应用。与传统CCFL背光相比，在提供同等光输出的条件下，LED背光可以降低能耗及提高电源能效。另外，占据主导地位的侧光式背光方案通常采用多条LED串作为背光源，所以LED驱动方案需要能够处理多个通道，如4至16个通道，并提供较佳的LED通道电流匹配精度，以及优异的PWM调光范围等。
此外，还需要能够应对不同的LED串故障，如LED开路及过多LED短路等。当然，LED背光LCD-TV的纤薄厚度是其重要卖点，而为了支持纤薄设计，不仅需要小巧尺寸的关键电源IC，还要采用更低高度的外部元件，如电感等。此外，还要考虑散热甚至是特殊的电路板加工技术，如在电路中增加通孔，以降低方案的高度。
安森美半导体提供的用于LED背光LCD-TV的解决方案恰恰可以满足上述要求，如安森美半导体的46英寸电源参考的侧光式LED背光单元中，采用的关键IC包括带高端驱动器的NCP1397初级侧控制器，以及新的6通道线性LED驱动器控制器CAT4026，适合超薄LCD-TV设计（电路板上高度低于8mm，总高度低于12.5mm）。
NCP1397是一款高性能控制器，可以发挥谐振半桥拓扑结构的优势，如串联谐振、并联谐振和LLC谐振转换器。它集成了600V栅极驱动器，可简化布局并减少外部元件数量。凭借其500kHz压控振荡器的独特架构，其控制模式可以获得ORing功能所需的灵活性。NCP1397提供了构建一个可靠和坚固的谐振模式电源所需的全部功能。NCP1397还提供了一系列保护功能及可配置设置，可优化各种应用。其中包括自动恢复或故障闭锁、欠压、开路光耦合器、软启动和短路保护。死区时间可以进行调节，以解决击穿电流的问题。图1是NCP1397的典型应用实例。
NCP1397的典型应用除了平板显示设备电源转换器外，还有笔记本电脑大功率交流-直流适配器、电脑电源、工业和医疗电源、离线式电池充电器等。
CAT4026则是一款高性能、大屏幕LED控制器，可以控制6条恒流高压LED串。新增的控制电路可监控最低阴极电压，生成外部开关模式电源(SMPS)的反馈控制信号，为大屏幕高电压LED背光提供低成本和高效率的解决方案。每个LED通道精确匹配的电流可以通过采用串联了低成本双极功率晶体管的外部电阻控制进行检测。这有助于利用CAT4026器件封装解决电流和散热问题。
为了增加系统的可靠性，CAT4026集成了LED阴极-阳极开路(OCA)和LED阴极-阳极短路(SCA)的故障检测电路，以及用于诊断的独立故障标记逻辑输出。全部6个通道LED电流调光可以通过PWM输入引脚的脉宽调制信号，或通过ANLG引脚施加的模拟调光电压进行精确的控制。此外，ANLG引脚还为限制任何LED串内过度LED短路情况的最大总功耗提供了一种便利的方法。通过使PWM引脚在较长时间为低电平，CAT4026将自动进入低电流关断模式。CAT4026的应用除了LCD-TVLED背光还有LED普通照明。
在参考设计方面，安森美半导体的GreenPoint®参考设计以现有技术满足了新兴能源能效标准，实现了更高能效的系统设计。以LCD-TV为例，安森美半导体2009年初推出的180W高压LCD-TV集成电源(HV-LIPS)参考设计集成了主系统电源和背光逆变器。在这个架构中，逆变器利用高压轨(HV-LIPS)直接供电，以改善系统电源的转换效率，同时通过省去电源转换段简化了电源的整体架构。这个参考设计的逆变器配置可为12个冷阴极荧光灯(CCFL)供电。所有电路都安放在32英寸LCD-TV的PCB上。该参考设计电路采用了一个单面175mm×330mm PCB，高度仅为25mm，可以放进LCD-TV的机箱。图2是180W高压LCD-TV电源和集成逆变电源的外观。图3是该GreenPoint®解决方案的基本系统架构。
HV-LIPS是一个完整的电源解决方案。与传统的LCD-TV电源架构相比，这种设计可以获得最佳的性能，同时通过选择一个专有的高效率反激控制器拓扑结构，淘汰了所需的专用待机功率段，降低了物料总成本，仍然符合“能源之星”3.0版电视标准对工作效率及待机能耗要求。这个参考设计还符合IEC 61000-3-2谐波含量要求，并超越了全球各地待机能耗的标准，在50mW负载时的典型待机能耗仅为400mW。此外，安森美半导体还积极配合高能效规范最新进展，如美国“能源之星”4.0版电视规范等，及时推出符合最新规范要求的解决方案或参考设计，帮助家电厂商在市场竞争中占据有利地位。
总结
随着中国经济的持续快速发展，在政府家电下乡政策等措施的推动下，诸如电冰箱、洗衣机、空调、微波炉以及机顶盒等众多家电产品的前景都非常可观。要满足家电
电源管理技术推动产品创新
电源系统设计人员面临的压力日益加大，必须应对极其复杂和密集的电源要求。为此，他们需要能够在各种工作频率和负载条件下更加灵活、更加可靠且性能更出色的电源管理芯片；此外，绿色高效及节能的电源方案还要满足实现创新性技术改进的要求，在价格方面也要具有竞争力。
电源管理技术的主要发展趋势是更高的功率密度或以更小尺寸提供相同的功率、低待机功耗、更高的可靠性，以及较低的价格。这些趋势并非互不相干，因为各个因素之间存在着权衡取舍。例如，更高的效率有助于实现更高的功率密度和更高的可靠性，散热也更少，但却可能增加价格。如何实现这些因素之间的完美平衡给电源IC厂商提出了新的课题。
先进电源管理技术在家电中的应用
电源管理正在推动家电领域新一轮的产品创新。为了满足更严格电源能效规范要求，利用高效节能技术推动家电领域的产品创新，安森美半导体推出了很多用于家电的整体电源管理方案，其中包括用于电源和电源适配器的功率因数(PFC)控制器；用于各种电源的交流-直流(AC-DC)控制器和直流-直流(DC-DC)控制器、稳压器、MOSFET及整流器；用于空调及冰箱压缩机电机驱动的功率器件（MOSFET开关/驱动器、IGBT开关/驱动器和三端双向可控硅开关元件等）、用于LCD-TV的LED背光驱动控制器；此外还有用于电视机的高能效GreenPoint®电源解决方案参考设计。
从功能上讲，安森美半导体的方案可以帮助家电电源工程师增强电源能效，其一是提高电源工作效率，可采用更好的器件，如场效应管和二极管；采用更好的拓扑结构，如频率反走、同步整流，以及准谐振、完全谐振、有源钳位（反激或正激）等软开关技术；其二是降低待机能耗，可采用更好的拓扑结构，如准谐振（谷底开关）、在2段式转换器关闭PFC段；采用新技术，如频率反走、跳周期、软跳周期、高压自举电源等；其三是实现功率因数校正，可将PFC段与主转换器结合，优化指定应用和电平的PFC工作模式。
此外，安森美半导体还在不断研发新的技术来提高能效，如以交错式PFC或无桥PFC来提高PFC能效；以有源钳位正激(ACF)、双电感加单电容(LLC)等软开关拓扑结构和交错式LLC等提高脉宽调制(PWM)能效；采用次级同步整流技术来提高次级转换能效。
安森美半导体电源管理IC应用实例
家电产品正趋向于把待机能耗降到极低。这里，我们将以LCD-TV为例介绍安森美半导体电源管理IC在家电中的应用。与传统CCFL背光相比，在提供同等光输出的条件下，LED背光可以降低能耗及提高电源能效。另外，占据主导地位的侧光式背光方案通常采用多条LED串作为背光源，所以LED驱动方案需要能够处理多个通道，如4至16个通道，并提供较佳的LED通道电流匹配精度，以及优异的PWM调光范围等。
此外，还需要能够应对不同的LED串故障，如LED开路及过多LED短路等。当然，LED背光LCD-TV的纤薄厚度是其重要卖点，而为了支持纤薄设计，不仅需要小巧尺寸的关键电源IC，还要采用更低高度的外部元件，如电感等。此外，还要考虑散热甚至是特殊的电路板加工技术，如在电路中增加通孔，以降低方案的高度。
安森美半导体提供的用于LED背光LCD-TV的解决方案恰恰可以满足上述要求，如安森美半导体的46英寸电源参考的侧光式LED背光单元中，采用的关键IC包括带高端驱动器的NCP1397初级侧控制器，以及新的6通道线性LED驱动器控制器CAT4026，适合超薄LCD-TV设计（电路板上高度低于8mm，总高度低于12.5mm）。
NCP1397是一款高性能控制器，可以发挥谐振半桥拓扑结构的优势，如串联谐振、并联谐振和LLC谐振转换器。它集成了600V栅极驱动器，可简化布局并减少外部元件数量。凭借其500kHz压控振荡器的独特架构，其控制模式可以获得ORing功能所需的灵活性。NCP1397提供了构建一个可靠和坚固的谐振模式电源所需的全部功能。NCP1397还提供了一系列保护功能及可配置设置，可优化各种应用。其中包括自动恢复或故障闭锁、欠压、开路光耦合器、软启动和短路保护。死区时间可以进行调节，以解决击穿电流的问题。图1是NCP1397的典型应用实例。
NCP1397的典型应用除了平板显示设备电源转换器外，还有笔记本电脑大功率交流-直流适配器、电脑电源、工业和医疗电源、离线式电池充电器等。
CAT4026则是一款高性能、大屏幕LED控制器，可以控制6条恒流高压LED串。新增的控制电路可监控最低阴极电压，生成外部开关模式电源(SMPS)的反馈控制信号，为大屏幕高电压LED背光提供低成本和高效率的解决方案。每个LED通道精确匹配的电流可以通过采用串联了低成本双极功率晶体管的外部电阻控制进行检测。这有助于利用CAT4026器件封装解决电流和散热问题。
为了增加系统的可靠性，CAT4026集成了LED阴极-阳极开路(OCA)和LED阴极-阳极短路(SCA)的故障检测电路，以及用于诊断的独立故障标记逻辑输出。全部6个通道LED电流调光可以通过PWM输入引脚的脉宽调制信号，或通过ANLG引脚施加的模拟调光电压进行精确的控制。此外，ANLG引脚还为限制任何LED串内过度LED短路情况的最大总功耗提供了一种便利的方法。通过使PWM引脚在较长时间为低电平，CAT4026将自动进入低电流关断模式。CAT4026的应用除了LCD-TVLED背光还有LED普通照明。
在参考设计方面，安森美半导体的GreenPoint®参考设计以现有技术满足了新兴能源能效标准，实现了更高能效的系统设计。以LCD-TV为例，安森美半导体2009年初推出的180W高压LCD-TV集成电源(HV-LIPS)参考设计集成了主系统电源和背光逆变器。在这个架构中，逆变器利用高压轨(HV-LIPS)直接供电，以改善系统电源的转换效率，同时通过省去电源转换段简化了电源的整体架构。这个参考设计的逆变器配置可为12个冷阴极荧光灯(CCFL)供电。所有电路都安放在32英寸LCD-TV的PCB上。该参考设计电路采用了一个单面175mm×330mm PCB，高度仅为25mm，可以放进LCD-TV的机箱。图2是180W高压LCD-TV电源和集成逆变电源的外观。图3是该GreenPoint®解决方案的基本系统架构。
HV-LIPS是一个完整的电源解决方案。与传统的LCD-TV电源架构相比，这种设计可以获得最佳的性能，同时通过选择一个专有的高效率反激控制器拓扑结构，淘汰了所需的专用待机功率段，降低了物料总成本，仍然符合“能源之星”3.0版电视标准对工作效率及待机能耗要求。这个参考设计还符合IEC 61000-3-2谐波含量要求，并超越了全球各地待机能耗的标准，在50mW负载时的典型待机能耗仅为400mW。此外，安森美半导体还积极配合高能效规范最新进展，如美国“能源之星”4.0版电视规范等，及时推出符合最新规范要求的解决方案或参考设计，帮助家电厂商在市场竞争中占据有利地位。
总结
随着中国经济的持续快速发展，在政府家电下乡政策等措施的推动下，诸如电冰箱、洗衣机、空调、微波炉以及机顶盒等众多家电产品的前景都非常可观。要满足家电
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