關鍵電源及LED照明應用的最新高能效規范要求、設計挑戰及解決方案

在人們環保意識越來越強的今天，節能絕不僅僅是熱點議題，更是各國重要規范機構和業界領先廠商切切實實的行動項目。環顧我們的工作及生活環境，那些最常用、最常見或有極具節能潛力的電子電器自然首先成為節能行動目標，如計算機、平板電視、機頂盒、適配器/外部電源等電源應用及發光二極管(LED)照明等。全球重要的規范機構，如美國“能源之星”、美國80 PLUS、歐洲能效行為準則(COC)、歐盟EuP、日本Top Runner、中國標準化研究院等，針對這些關鍵應用發布更新、更多的高能效規范，讓電子產品能夠以更少的電能來執行相同的功能，提高電能使用的效率。

以多路輸出臺式機ATX電源為例，80 PLUS銀級規范、計算產業氣候拯救行動(CSCI)銀級規范自2009年7月開始生效，要求多路輸出臺式機ATX電源在額定輸出功率的20%、50%和100%等條件下能效分別達到85%、88%及85%。后續的80 PLUS金級和CSCI金級規范將于2010年7月開始生效，進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，其能耗日益成為業界關注的問題。“能源之星”針對電視的4.0版規范將于2010年5月1日生效，這規范要求可視屏幕對角尺寸為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78 W、115 W和210 W，而后續將于2012年5月1日生效的5.0版規范則進一步要求這幾種尺寸平板電視工作能耗不超過55 W、81 W和108 W，參見表1。歐洲的EuP指令也有著類似要求。除了要求工作能耗降低，這些規范還要求降低待機能耗，因為數據顯示，可觀的電能是在待機模式下消耗的。“能源之星”等能效規范當前對待機能耗的要求是不超過1 W，未來可能要求不超過0.3 W甚至是不超過0.1 W。
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而在筆記本電腦等產品中廣泛使用的適配器/外部電源方面，“能源之星”的2.0版規范已于2008年11月1日開始生效。以“能源之星”的2.0版外部電源規范為例，這規范要求輸出功率大于49 W的外部電源(典型產品如筆記本適配器)的工作能效從1.1版的84%提升至87%，待機(空載)能耗從不超過750 mW降低到不超過500 mW，而功率因數(PF)也要求不低于0.9。歐盟EuP生態設計指令2005/32/EC規范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500 mW，第二階段的空載能耗要求不變，但能效要求提開至87%。

除了這些應用，LED照明或稱固態照明(SSL)如今也是炙手可熱的應用，1.0版的“能源之星”SSL規范已自2008年10月1日生效，要求關態(off-state)能耗為零，最低能效要求根據應用的不同(如聚光燈、戶外燈等)而不同，功率因數要求方面，商業應用是不低于0.9，住宅應用是不低于0.7。

電源及LED照明應用設計挑戰
這些關鍵電源及LED照明應用為設計工程師帶來了挑戰，既需要增加能效密度，又要改善功率因數，并提高產品的可靠性。

具體而言，由于總能效要求及散熱限制，設計工程師必須致力提升能效，即便是在低功率應用(或輕載)時也是如此。此外，并不是只有在較高功率電平時才要求功率因數校正(PFC)，相對較低的功率時也可能要求PFC。此外，這些應用中常常會面臨空間受限的問題，特別是在以LED照明替代傳統燈泡的應用中。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關元件(TRIAC)調光等。?

應對策略
要應對這些關鍵電源及LED照明應用的設計挑戰，需要采用更新的技術或優化的電源拓撲結構及方案。

以平板電視應用為例，為將能效提至最高，可將傳統采用的冷陰極熒光燈(CCFL)背光替換為新興的LED背光，如直下式背光或側光式背光，不僅有助于纖薄型電視設計，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量及降低能耗，或采用新穎的逆變器驅動器方案，如液晶電視集成電源(LIPS)，減少一個電源轉換段，提升能效并降低成本。

安森美半導體以領先產品及方案來支持高能效趨勢
安森美半導體身為首要的高性能、高能效硅方案供應商，提供電源管理及LED照明方案來節能，幫助客戶滿足并超越世界各地的電源規范標準(工作能效、待機能耗、低靜態電流及功率因數校正等)，成本平價或比傳統方案更低。

需要強調的是，安森美半導體采用整體途徑來實現高能效，包括：
1)降低待機(空載)能耗。包括使用準諧振(谷底開關)、在2段式轉換器關閉PFC段等更好的拓撲結構，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。

2)提升電源工作能效。包括使用更好的器件，如場效應晶體管(FET)和二極管，以及使用更好的拓撲結構，如頻率反走、同步整流，及準諧振、完全諧振、有源鉗位(反激或正激)等軟開關技術。

3)功率因數校正(或減少諧波)。包括將PFC與主轉換器結合，以及優化指定應用和電平的PFC控制模式，如非連續導電模式(DCM)、臨界導電模式(CrM)或連續導電模式(CCM)。

安森美半導體針對這些關鍵的電源及LED照明應用提供眾多的領先產品，如PFC控制器、交流-直流(AC-DC)控制器、高壓MOSFET、LED驅動器、整流器、次級同步整流控制器、直流-直流(DC-DC)開關穩壓器及低壓降(LDO)穩壓器，并基于這些領先產品提供高能效的GreenPoint?參考設計，用于ATX電源、筆記本及打印機電源適配器、電視、固態照明及其它應用。
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圖1：安森美半導體用于ATX臺式機的能效高于85%的255 W電源參考設計

例如，安森美半導體用于臺式機ATX電源的255 W GreenPoint?電源參考設計在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銀級能效規范及“能源之星”5.0版臺式機電源規范，并符合IEC61000-3-2功率因數要求，功率因數在多種輸入電壓條件下高于0.95。值得一提的是，這些數據均是在41長的線纜末端獲得，經過了完全測試，強固且性價比高，屬于可投產型設計，參見圖1。

又如，在通用LED照明應用方面，安森美半導體對一款從零售商店購得的鹵素燈臺燈，采用LED模塊進行重新設計。原35 W鹵素燈在120 Vac時的輸入功率為41.7 W，亮度為744流明，而基于安森美半導體NCP1014構建的LED模塊的LED臺燈在120 Vac條件下的輸入功率僅為10.9 W，即能耗僅相當于傳統鹵素燈的1/4，但光輸出卻高于鹵素燈，達到795流明。這采用LED模塊的新臺燈設計既減小產品體積，又極佳地實現節能。這LED模塊的電路圖參見圖2。
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圖2：采用基于NCP1014的LED模塊重新設計的臺燈的電路圖

安森美半導體旨在成為高質量、高性價比、高性能電源管理方案的首選供應商，除了推出關鍵的控制、驅動及電源轉換IC，還配合推出高壓MOSFET及整流器產品，并提供豐富的整流器封裝系統，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：
計算機、平板電視、適配器等關鍵電源應用及LED照明應用面臨更高能效要求，并為設計人員帶來挑戰。安森美半導體現有構建高能效電源及LED照明應用的先進技術及產品，且是完整解決方案供應商，提供高性能、低系統總成本的差異化GreenPoint?參考設計，既提升工作能效，又降低待機能耗，同時還提供高功率因數，以整體途徑幫助客戶符合或超越世界各地的高能效規范要求。