高效電源管理方案

魯　冰

摘要：低能耗高效率是電子產品追求的目標。本文簡介一些高能效電源管理方案，這包括自適應電壓調節技術、數字降頻技術、多相變換器、負電荷泵、交錯式臨界導通PFC等。

關鍵詞：高能效；電源管理；能源效率

消費者需要安全的生活環境，并希望充分發揮創新潛能以保護我們的地球。消費需求正在驅動著一個全新的市場發展大趨勢，關注的焦點是再生能源、醫療診斷與檢測設備以及無處不在的個人移動設備等。

低能耗高效率是電子產品市場追求的目標。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年電子產品市場的主流仍然是低能耗高效率。為此各個半導體廠商開發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。

自適應電壓調節技術

美國國家半導體(NS)的PowerWise是高能源效率產品系列，采用自適應電壓調節(AVS)架構。AVS可以利用電源管理技術調整供電電壓，也可以利用內部供電調整技術調整輸出、確保數字CMOS邏輯電路的功耗可以大幅減少：AVS可以主動監視數字電路的工作情況，并根據其實際用電需要提供適量的供電。AVS比傳統的固定電壓系統節省高達64％的耗電(見圖1)。

舉例說明PowerWire系列產品的一個高效率應用方案。許多應用要求輸入電壓范圍比較大(如汽車應用，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換器。具有大降壓比和低輸出電壓特性的功率轉換器一般采用兩級轉換，第一級轉換是將高輸入電壓轉換為中間電壓，第二級轉換則將中間電壓轉換為需要的低輸出電壓。效率是兩級轉換器所需關注的一個主要問題。盡管個別級的轉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換級效率之乘積。

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

數字降頻技術

在能源問題受到越來越多廣泛關注的今天、大部分電源標準不僅規定了滿載時的效率，而且還規定了整個負載范圍的平均效率，例如Energy Star 2.0規定的平均效率為87％。數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用。準諧振反激式變換器面臨的挑戰之一是其開關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采用了數字降頻方法。此器件同時采用數字信號處理電路和模擬信號處理電路。數字信號處理電路包括一個加／減計數器、一個過零信號計數器和一個數字平均器：模擬電路包括一個電流測量單元和一個平均器。導通和關斷的時間點分別由數字電路和模擬電路決定。在滿載和輕載條件下，數字降頻使MOSFET分別在不同的過零信號點導通。在輕載工作條件下，開關頻率被有效地降低到一個相當低的水平，同時開關動作仍有效進行，從而確保了輕載時的高效率。為了驗證數字降頻方法對提升效率所具有的效果，英飛凌設計了兩種采用ICE2QS02G且不帶同步整流的準諧振反激式變換器原型，其效率測試結果示于圖4。從圖4所示效率測試結果可以看出，采用數字降頻方法可以顯著地提高系統的綜合效率，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可達到的效率為70％～80％)成為設計人員面對的困難任務。

可以滿足當今處理器電源要求的唯一拓撲是多相開關模式變換器。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)。一個最佳的設計需要折衷考慮相數、每個相的電流、開關頻率、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整。多相設計可采用幾種實用的方法。

·采用帶集成MOSFET驅動器的PWM控制器IC。然而，片上柵極驅動器產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實的。用這種配置實現精確的電流均分是困難的，這種方法三相是限制相數。

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

·采用帶集成柵極驅動器和內置同步及電流均分的控制器。這種方法只允許偶數相數。然而，片上所產生的驅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模塊包括驅動器和功率MOSFET，設計用于多相變換器。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用的FET加驅動器的多芯片模塊。這是一個完全集成的功率級方案，它替代一個12V驅動器IC和三個N溝MOSFET，與分立元件方案相比節省板空間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壓器電路。Renesas公司的RZJ20602NP集成一個驅動器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

效率的提高對蜂窩電話這類應用顯得尤為重要，更高的效率相應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動(即1倍壓模式下沒有壓降)白光和RGB LED。顯然要實現這一目標，采用電池和LED之間的正電荷泵是不可能的。這種配置架構在電源回路中產生一個額外的壓降，降低了LED上的驅動電壓。當驅動電壓不足時，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。但要實現零壓降、典型的方案需要去掉正電荷泵，對于這種架構來說這是不可能的。

一般方案并不為各個LED分別供電。電路監控所有LED輸出。當任意一個LED電流低于預設值時、正電荷泵打開。當系統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所對應的電流調節器將消耗額外的電壓和功率。因此，V_F越不匹配以及LED數目越多、功耗就越大。可視電話、智能手機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。自適應切換技術分別對各個LED供電、調光和穩流。該新技術將LED效率提高12％(圖7)。

交錯式臨界導通PFC

“能源之星”(Energy Star)和“電腦節能拯救氣候行動”(Climate Savers Computing Initiative)要求數字電視、臺式電腦和入門級服務器、前端電信系統的電源系統具有高效率低功耗。飛兆半導體的交錯式臨界導通(Interleaved Boundary Conduction Mode)PFC(功率因數校正)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，將功耗減至最小；其谷底開關(Valley switching)技術將MOSFET開啟損耗減至最低。這種交錯式臨界導通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。

結語

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