高效电源管理方案
2009-09-05鲁冰
鲁 冰
摘要：低能耗高效率是电子产品追求的目标。本文简介一些高能效电源管理方案，这包括自适应电压调节技术、数字降频技术、多相变换器、负电荷泵、交错式临界导通PFC等。
关键词：高能效；电源管理；能源效率
消费者需要安全的生活环境，并希望充分发挥创新潜能以保护我们的地球。消费需求正在驱动着一个全新的市场发展大趋势，关注的焦点是再生能源、医疗诊断与检测设备以及无处不在的个人移动设备等。
低能耗高效率是电子产品市场追求的目标。为了更好地保护能源，人类在减少能源消耗的同时还要努力提高能源使用效率。2009年电子产品市场的主流仍然是低能耗高效率。为此各个半导体厂商开发出不同的高能效电源解决方案，下面简介一些高能效电源管理方案。
自适应电压调节技术
美国国家半导体(NS)的PowerWise是高能源效率产品系列，采用自适应电压调节(AVS)架构。AVS可以利用电源管理技术调整供电电压，也可以利用内部供电调整技术调整输出、确保数字CMOS逻辑电路的功耗可以大幅减少：AVS可以主动监视数字电路的工作情况，并根据其实际用电需要提供适量的供电。AVS比传统的固定电压系统节省高达64％的耗电(见图1)。
举例说明PowerWire系列产品的一个高效率应用方案。许多应用要求输入电压范围比较大(如汽车应用，汽车电池一般为12V或24V，在尖峰情况下可能会达到40V)。由于输入电压很高而输电压很低(或输出电流很高)，因此需要使用大降压比的转换器。具有大降压比和低输出电压特性的功率转换器一般采用两级转换，第一级转换是将高输入电压转换为中间电压，第二级转换则将中间电压转换为需要的低输出电压。效率是两级转换器所需关注的一个主要问题。尽管个别级的转换可以达到较高的效率，但是整体效率却可能很低，整体效率仅在60％｀70％左右，因为整体效率是各转换级效率之乘积。
与两级转换相比，宽输入和低反馈电压的同步降压转换器具有更高的效率，例如NS公司的LM3103(属于PowerWire系列产品的一款产品，输入电压可高达42V，输出电压可低至0.6V)单级转换效率比两级转换器的整体效率高出5％～10％(图2)。LM3103的应用电路示于图3。
数字降频技术
在能源问题受到越来越多广泛关注的今天、大部分电源标准不仅规定了满载时的效率，而且还规定了整个负载范围的平均效率，例如Energy Star 2.0规定的平均效率为87％。数字降频方法可以更方便地提高平均效率。
准谐振反激式变换器的开关损耗比固定频率的反激式变换器低，而且EMI性能更好，所以这种变换器得到广泛的应用。准谐振反激式变换器面临的挑战之一是其开关频率随输出功率的下降而上升。这低消了通过准谐振方式工作而带来的效率提升，特别是在中等负载或低负载条件下。为了解决这一问题，英飞凌的准谐振PWM控制器ICE 2QS02G采用了数字降频方法。此器件同时采用数字信号处理电路和模拟信号处理电路。数字信号处理电路包括一个加／减计数器、一个过零信号计数器和一个数字平均器：模拟电路包括一个电流测量单元和一个平均器。导通和关断的时间点分别由数字电路和模拟电路决定。在满载和轻载条件下，数字降频使MOSFET分别在不同的过零信号点导通。在轻载工作条件下，开关频率被有效地降低到一个相当低的水平，同时开关动作仍有效进行，从而确保了轻载时的高效率。为了验证数字降频方法对提升效率所具有的效果，英飞凌设计了两种采用ICE2QS02G且不带同步整流的准谐振反激式变换器原型，其效率测试结果示于图4。从图4所示效率测试结果可以看出，采用数字降频方法可以显著地提高系统的综合效率，从图4(b)还可看出采用CoolMOS 800V的方案甚至在低电压和高电压两种条件下都达到90％的超高效率。
多相变换器
预测到2010年处理器将工作在1V和100A，到2020年希望处理器的电源电压将是0.7v和更高电流。处理器工作在1V，100A(或更高)和GHz频率时的高效电源管理(采用当今的元件和技术可达到的效率为70％～80％)成为设计人员面对的困难任务。
可以满足当今处理器电源要求的唯一拓扑是多相开关模式变换器。这种拓扑采用两个或更多相同组合单元，把这些单元的输出连接起来，其输出是所有单元输出的总和。随着工作电流要求的增高，需要有更多的单元(相)。一个最佳的设计需要折衷考虑相数、每个相的电流、开关频率、成本、尺寸和效率。更高的输出电流和更低的电压，需要更严格的输出电流调整。多相设计可采用几种实用的方法。
·采用带集成MOSFET驱动器的PWM控制器IC。然而，片上栅极驱动器产生的热和噪声会影响控制器性能。级连这类芯片以增加更多相是不现实的。用这种配置实现精确的电流均分是困难的，这种方法三相是限制相数。
·采用分离的控制器和分离的栅极驱动器，使PWM控制器与栅极驱动器的热和噪声隔离。然而，电流均分会更复杂，因为电流感测信号路由到控制器：另外还有控制器，驱动器延迟，这是因为它们是分离的IC。
·采用带集成栅极驱动器和内置同步及电流均分的控制器。这种方法只允许偶数相数。然而，片上所产生的驱动器热和噪声可能会降低控制器性能。
上面 所述三种方法在选择相数中不能提供所需的自由度。理想的方法是一种可伸缩的拓扑，它能容易地增加或去除任意多相单元，必须能够在分布的相单元中相等地均分电流。
·DrMOS。配置小尺寸、可伸缩多相变换器的一种方法是采用DrMOS(Driver-MOsFET)模块(图5)。DrMOS模块包括驱动器和功率MOSFET，设计用于多相变换器。Fairchild公司的FDMF8700是一款支持Intel的DrMOS Vcoredc-dc变换器标准、用于大电流同步降压应用的FET加驱动器的多芯片模块。这是一个完全集成的功率级方案，它替代一个12V驱动器IC和三个N沟MOSFET，与分立元件方案相比节省板空间50％。Fairchild家庭的DrMOS多芯片模块还有FDMF6700、FDMF8704、FDM8705。图6示出由FDMF8704和PWM控制器组成的四相电压稳压器电路。Renesas公司的RZJ20602NP集成一个驱动器IC和高、低端功率MOSFET在S6引脚QFN封装中，它工作在高达2MHz开关频率、最大输出电流40A，工作在1MHz、VIN=12V、
VOUT=1.3V时最高效率接近87％。
负电荷泵架构
效率的提高对蜂窝电话这类应用显得尤为重要，更高的效率相应具有更长的通话时间。
蜂窝电话背光是功耗的主要部分。理想情况下，设计人员希望在不损失任何效率的前提下采用全部电池电压直接驱动(即1倍压模式下没有压降)白光和RGB LED。显然要实现这一目标，采用电池和LED之间的正电荷泵是不可能的。这种配置架构在电源回路中产生一个额外的压降，降低了LED上的驱动电压。当驱动电压不足时，电荷泵打开。因此，正电荷泵开始工作的电压较高，降低了效率。采用1倍压模式将延长电池的使用寿命。但要实现零压降、典型的方案需要去掉正电荷泵，对于这种架构来说这是不可能的。
一般方案并不为各个LED分别供电。电路监控所有LED输出。当任意一个LED电流低于预设值时、正电荷泵打开。当系统LED正向电压存在较大不匹配时，最高的LEDVF(正向压降)将触发电荷泵对电池电压进行升压。这样，那些具有较低VF的LED所对应的电流调节器将消耗额外的电压和功率。因此，VF越不匹配以及LED数目越多、功耗就越大。可视电话、智能手机和多媒体播放器采用五路或更多LED，不匹配问题将进一步加剧功耗问题。
Maxim公司的MAX8647负电荷架构消除了电池至LED之间的线路阻抗。因此，当电池放电时，该器件延迟1～1.5倍压模式之间的切换。自适应切换技术分别对各个LED供电、调光和稳流。该新技术将LED效率提高12％(图7)。
交错式临界导通PFC
“能源之星”(Energy Star)和“电脑节能拯救气候行动”(Climate Savers Computing Initiative)要求数字电视、台式电脑和入门级服务器、前端电信系统的电源系统具有高效率低功耗。飞兆半导体的交错式临界导通(Interleaved Boundary Conduction Mode)PFC(功率因数校正)控制器FAN9612采用交错方式能为AC-DC电源提供超过96％的效率其额定功率范围100W～1000W。它采用两个并连180°相差的升压功率级。由于FAN9612采用交错方式，并在所有运作条件下都保持两个功率级精确的180°相差、因此能够降低导通损耗：其自动切相功能使轻负载下仅有一个通道运作，将功耗减至最小；其谷底开关(Valley switching)技术将MOSFET开启损耗减至最低。这种交错式临界导通PFC为绿色电源提供高效率AC-DC电源，采用FAN9612的PFC电路示于图8。
结语
低能耗高效率是电子产品追求的目标。人们在减少能源消耗的同时，还要努力提高能使用效率。为此涌现出各种不同的高能效电源解决方案和技术，这包括自适应电压调节技术、数字降频技术、多相变换器、负电荷泵、交错式临界导通模式等。随着消费需求、节能和电子设备必须遵守强制性能效规范，必将会涌现出新的低能耗高效率电源管理方案和技术。
