高能效电源的设计指南

能效规范引导高能效电源设计方向

在今天，各国政府也都在大力倡导能源的可持续发展，提出了各种环保指令。在能效规范和环保意识的推动下，电源市场正在发生巨大的变化。据最新调查指出，最大的需求来自计算机电源，其次是液晶电视、电子镇流器、适配器电源。随着计算机、液晶电视、笔记本电脑市场的持续发展，对于这些产品的高能效电源的需求也在与日俱增。

此外，世界各地的政府机构和行业组织都纷纷制定相应的能耗规范标准，除了“80 PLUS”，业界还对计算机电源提出了更新的节能要求。近几年，计算产业气候拯救行动(CSCI)提出了更高的节能要求，也就是计算机电源在20%、50% 和100%负载条件下要达到80%或更高的能效标准和要求。另外，美国于08年推出的“能源之星”电视产品3.0版规范以及“能源之星”外部电源2.0版规范和09年推出的“能源之星” （ENERGY STAR?） 计算机5.0版规范也是旨在提高设备对电能的利用率。能效规范标准的日益普及要求、所有操作模式的电源转换具备更高的能效，其中包括降低待机（空载）能耗、提升电源工作效率、采用功率因数校正（PFC）或减少谐波。

实例说明电源设计中改善电路段能效的方法

在一个电源设计中，能效规范对电路段的挑战主要体现在PFC能效、主转换器能效和次级能效几个方面。要提高这几个方面的能效，就必须改善如图1所示电路红色框中的元件性能。以下将介绍改善电路段能效的几种方法。
 

1.改善PFC能效

改善PFC能效的目标是为了实现功率因数校正短的效率达到96%以上。采用无桥PFC（图2a）可以减少桥损耗，采用交错式PFC（图2b）可以满足较高功率应用的要求，以提升PFC能效。此外，还可以利用IC技术减少开关损耗，并利用更优化的拓扑结构来减少EMI滤波器损耗。

采用安森美半导体的NCP1605高能效待机模式PFC控制器就可以提高PFC轻载能效，进一步降低损耗。该器件采用高压电流源，外部设定固定开关频率，并可工作在DCM/CRM模式；可以在待机条件下软跳周期（Soft-SkipTM）工作；PFC就绪信号可以进行快速线路/负载瞬态补偿；谷底导通可实现过压保护和欠压保护；同时还具备输入欠压检测、平滑启动的软启动、过流限制和闩锁功能。
   
2. 改善主转换器段能效

要提高主转换器能效可以采用以下几种方法。一是通过降低导通阻抗（开关损耗较高）和/或减小初级峰值电流和均方根电流来降低初级导通损耗；二是考虑采用软开关技术降低开关损耗；三是通过减少整流器压降（使用低正向压降二极管或FET整流器）来降低次级损耗；四是采用更好的磁芯材料来降低磁芯损耗。表1列出了主要软开关的拓扑结构，可供设计时参考。

表1. 主要软开关拓扑结

改善次级能效

同步降压转换器是提高能效的好方案，采用DC-DC软开关技术可以进一步提升能效。安森美半导体的NCP4302同步降压控制器的满载能效比肖特基二极管高2.5%；而NCP4331后稳压器则比传统磁放大器的能效高7%，都可以为次级能效的提升做出贡献。

高能效电源产品应用实例预览：

为了给大家更详细地、更系统地讲解高能效电源设计的实质内容，我们会在接下来几讲的内容中为大家提供了几种典型的高效电源参考设计，包括满足个人电脑电源能效趋势以及提升液晶电视能效方面的要求上的内容，还将为大家讲述太阳能充电控制器设计和高能效智能电表电源方案。

1．笔记本电脑电源适配器设计

伴随着越来越多的笔记本用户要求高性能、小尺寸或低重量的笔记本，同时价格适宜。对于电源适配器设计人员而言，就要选择适合的控制器，用于开发高能效、集成丰富保护特性、尺寸小巧的适配器。从大多数用户的使用情况来看，笔记本电脑有相当的时间内会处在轻载或待机条件下。与提高 25%、50%、75%或 100%负载条件下的能效相比，降低极低负载条件甚至是待机条件下的能耗及提升能效更具挑战性。这就要求电源控制器具备极佳的轻载或待机能耗性能。

在第二讲的内容我们将会为大家讲解采用NCP1250/NCP1251反激控制器制作出符合笔记本电脑电源适配器要求的设计实例。由于NCP1250/1是集成了应用高密度电源适配器所需的关键特性，如非耗散型过功率保护、能够应用过温保护、小封装(TSOP6)及 Vcc 引脚过压保护(OVP)(仅 NCP1251)等。NCP1250/1 在提供高工作能效的同时，通过采用频率反走技术及跳周期模式，在轻载或待机模式下的能耗极低，从而能够在完整负载范围内提供高能效。

2．台式计算机、平板电视的高效能电源控制器方案

计算机、服务器及平板电视向来是能效规范机构的重要目标，这些设备必须在满足高性能的同时符合最新能效要求。在第三讲的内容我们将介绍应用于计算机ATX电源及平板电视的高能效、高性能功率因数校正(PFC)及半桥谐振双电感加单电容(LLC)组合控制器NCP1910的主要特性及电源段的应用设计要点，帮助工程师更好地采用NCP1910进行相关的电源设计。

3．高能效太阳能充电控制器设计

第四讲将为大家介绍一款太阳能电池控制器NCP1294，用来实现太阳能电池板的最大峰值功率点跟踪（MPPT），以最高能效为蓄电池充电。由于NCP1294 是一款固定频率电压模式 PWM 前馈控制器，包含电压模式运作所需的所有基本功能。作为支持降压、升压、降压-升压及反激等不同拓扑结构的充电控制器，NCP1294针对高频初级端控制操作进行了优化，具有逐脉冲限流及双向同步功能，支持功率最高140 W 的太阳能板。这款器件提供的 MPPT功能能够定位最大功率点，并实时根据环境条件来调节，使控制器保持接近最大功率点，从而从太阳能板析取最大的电量，提供最佳的能效。

4. 高能效智能电表电源方案

从智能电表的组成来看，主要包括通信、电源及电源管理、计量及存储等功能模块。就电源及电源管理模块而言，第四讲的内容将为大家提供包括高压交流-直流(AC-DC)开关稳压器、直流-直流(DC-DC)开关稳压器/控制器和低压降(LDO)线性稳压器等设计方案，以方便读者根据具体应用选择适合的方案。这些电源方案具有高能效、低能耗及丰富保护特性等特点，将会成为是智能电表未来的发展趋势之一。