关键电源及LED照明应用的最新高能效规范要求、设计挑战及解决

关键电源及LED照明应用的最新高能效规范要求、设计挑战及解决方案

在人们环保意识越来越强的今天，节能绝不仅仅是热点议题，更是各国重要规范机构和业界领先厂商切切实实的行动项目。环顾我们的工作及生活环境，那些最常用、最常见或有极具节能潜力的电子电器自然首先成为节能行动目标，如计算机、平板电视、机顶盒、适配器/外部电源等电源应用及发光二极管(LED)照明等。全球重要的规范机构，如美国“能源之星”、美国80 PLUS、欧洲能效行为准则(COC)、欧盟EuP、日本Top Runner、中国标准化研究院等，针对这些关键应用发布更新、更多的高能效规范，让电子产品能够以更少的电能来执行相同的功能，提高电能使用的效率。

以多路输出台式机ATX电源为例，80 PLUS银级规范、计算产业气候拯救行动(CSCI)银级规范自2009年7月开始生效，要求多路输出台式机ATX电源在额定输出功率的20%、50%和100%等条件下能效分别达到85%、88%及85%。后续的80 PLUS金级和CSCI金级规范将于2010年7月开始生效，进一步将能效要求提高到87%、90%和87%。

又如平板电视，随着尺寸的增大，其能耗日益成为业界关注的问题。“能源之星”针对电视的4.0版规范将于2010年5月1日生效，这规范要求可视屏幕对角尺寸为32英寸、42英寸和60英寸的平板电视在工作模式的能耗分别不超过78 W、115 W和210 W，而后续将于2012年5月1日生效的5.0版规范则进一步要求这几种尺寸平板电视工作能耗不超过55 W、81 W和108 W，参见表1。欧洲的EuP指令也有着类似要求。除了要求工作能耗降低，这些规范还要求降低待机能耗，因为数据显示，可观的电能是在待机模式下消耗的。“能源之星”等能效规范当前对待机能耗的要求是不超过1 W，未来可能要求不超过0.3 W甚至是不超过0.1 W。
 

而在笔记本电脑等产品中广泛使用的适配器/外部电源方面，“能源之星”的2.0版规范已于2008年11月1日开始生效。以“能源之星”的2.0版外部电源规范为例，这规范要求输出功率大于49 W的外部电源(典型产品如笔记本适配器)的工作能效从1.1版的84%提升至87%，待机(空载)能耗从不超过750 mW降低到不超过500 mW，而功率因数(PF)也要求不低于0.9。欧盟EuP生态设计指令2005/32/EC规范No 278/2009的第一阶段和第二阶段要求分别将自2010年4月及2011年4月开始生效，其中第一阶段的要求是输出功率大于51 W的外部电源工作能效不低于85%，空载能耗不超过500 mW，第二阶段的空载能耗要求不变，但能效要求提开至87%。

除了这些应用，LED照明或称固态照明(SSL)如今也是炙手可热的应用，1.0版的“能源之星”SSL规范已自2008年10月1日生效，要求关态(off-state)能耗为零，最低能效要求根据应用的不同(如聚光灯、户外灯等)而不同，功率因数要求方面，商业应用是不低于0.9，住宅应用是不低于0.7。

电源及LED照明应用设计挑战
这些关键电源及LED照明应用为设计工程师带来了挑战，既需要增加能效密度，又要改善功率因数，并提高产品的可靠性。

具体而言，由于总能效要求及散热限制，设计工程师必须致力提升能效，即便是在低功率应用(或轻载)时也是如此。此外，并不是只有在较高功率电平时才要求功率因数校正(PFC)，相对较低的功率时也可能要求PFC。此外，这些应用中常常会面临空间受限的问题，特别是在以LED照明替代传统灯泡的应用中。总体可靠性也非常重要。输入电源范围也要更宽，支持277 Vac电压。此外，还面临一些特定照明要求，如三端双向可控硅开关元件(TRIAC)调光等。 

应对策略
要应对这些关键电源及LED照明应用的设计挑战，需要采用更新的技术或优化的电源拓扑结构及方案。

以平板电视应用为例，为将能效提至最高，可将传统采用的冷阴极荧光灯(CCFL)背光替换为新兴的LED背光，如直下式背光或侧光式背光，不仅有助于纤薄型电视设计，还帮助降低能耗，提升能效。如果维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，如在提供同等光输出的条件下减少灯数量及降低能耗，或采用新颖的逆变器驱动器方案，如液晶电视集成电源(LIPS)，减少一个电源转换段，提升能效并降低成本。

安森美半导体以领先产品及方案来支持高能效趋势
安森美半导体身为首要的高性能、高能效硅方案供应商，提供电源管理及LED照明方案来节能，帮助客户满足并超越世界各地的电源规范标准(工作能效、待机能耗、低静态电流及功率因数校正等)，成本平价或比传统方案更低。

需要强调的是，安森美半导体采用整体途径来实现高能效，包括：
1)降低待机(空载)能耗。包括使用准谐振(谷底开关)、在2段式转换器关闭PFC段等更好的拓扑结构，以及采用频率反走、跳周期、软跳周期和高压自举(bootstrap)电路等新技术。

2)提升电源工作能效。包括使用更好的器件，如场效应晶体管(FET)和二极管，以及使用更好的拓扑结构，如频率反走、同步整流，及准谐振、完全谐振、有源钳位(反激或正激)等软开关技术。

3)功率因数校正(或减少谐波)。包括将PFC与主转换器结合，以及优化指定应用和电平的PFC控制模式，如非连续导电模式(DCM)、临界导电模式(CrM)或连续导电模式(CCM)。

安森美半导体针对这些关键的电源及LED照明应用提供众多的领先产品，如PFC控制器、交流-直流(AC-DC)控制器、高压MOSFET、LED驱动器、整流器、次级同步整流控制器、直流-直流(DC-DC)开关稳压器及低压降(LDO)稳压器，并基于这些领先产品提供高能效的GreenPoint®参考设计，用于ATX电源、笔记本及打印机电源适配器、电视、固态照明及其它应用。
 

 
图1：安森美半导体用于ATX台式机的能效高于85%的255 W电源参考设计

例如，安森美半导体用于台式机ATX电源的255 W GreenPoint®电源参考设计在100、115、230及240 Vac输入电压条件及25%、50%及100%额定输出功率等条件下的能效高于85%，符合80 PLUS银级能效规范及“能源之星”5.0版台式机电源规范，并符合IEC61000-3-2功率因数要求，功率因数在多种输入电压条件下高于0.95。值得一提的是，这些数据均是在41长的线缆末端获得，经过了完全测试，强固且性价比高，属于可投产型设计，参见图1。

又如，在通用LED照明应用方面，安森美半导体对一款从零售商店购得的卤素灯台灯，采用LED模块进行重新设计。原35 W卤素灯在120 Vac时的输入功率为41.7 W，亮度为744流明，而基于安森美半导体NCP1014构建的LED模块的LED台灯在120 Vac条件下的输入功率仅为10.9 W，即能耗仅相当于传统卤素灯的1/4，但光输出却高于卤素灯，达到795流明。这采用LED模块的新台灯设计既减小产品体积，又极佳地实现节能。这LED模块的电路图参见图2。
 
图2：采用基于NCP1014的LED模块重新设计的台灯的电路图

安森美半导体旨在成为高质量、高性价比、高性能电源管理方案的首选供应商，除了推出关键的控制、驱动及电源转换IC，还配合推出高压MOSFET及整流器产品，并提供丰富的整流器封装系统，包括新的SO-8 FL整流器封装，其热性能几乎与DPAK小巧封装一样好。

总结：
计算机、平板电视、适配器等关键电源应用及LED照明应用面临更高能效要求，并为设计人员带来挑战。安森美半导体现有构建高能效电源及LED照明应用的先进技术及产品，且是完整解决方案供应商，提供高性能、低系统总成本的差异化GreenPoint®参考设计，既提升工作能效，又降低待机能耗，同时还提供高功率因数，以整体途径帮助客户符合或超越世界各地的高能效规范要求。