中心議題：

• 能效規范引導高能效電源設計方向
• 實(shí)例說(shuō)明電源設計中改善電路段能效的方法
• 高能效電源產(chǎn)品應用實(shí)例預覽

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【class5】：高能效智能電表電源方案
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近年來(lái)，隨著(zhù)能源短缺和全球變暖現象的加劇，環(huán)保意識也已成為消費者的共識，他們越來(lái)越關(guān)注小尺寸、多功能、節能省電等問(wèn)題。對于高能效電源而言，既要充分利用電能，又要盡可能地減少不必要的電能消耗或損耗，這種符合環(huán)保要求的電源設計才是消費者樂(lè )于接受的。

能效規范引導高能效電源設計方向

在今天，各國政府也都在大力倡導能源的可持續發(fā)展，提出了各種環(huán)保指令。在能效規范和環(huán)保意識的推動(dòng)下，電源市場(chǎng)正在發(fā)生巨大的變化。據最新調查指出，最大的需求來(lái)自計算機電源，其次是液晶電視、電子鎮流器、適配器電源。隨著(zhù)計算機、液晶電視、筆記本電腦市場(chǎng)的持續發(fā)展，對于這些產(chǎn)品的高能效電源的需求也在與日俱增。

此外，世界各地的政府機構和行業(yè)組織都紛紛制定相應的能耗規范標準，除了“80 PLUS”，業(yè)界還對計算機電源提出了更新的節能要求。近幾年，計算產(chǎn)業(yè)氣候拯救行動(dòng)(CSCI)提出了更高的節能要求，也就是計算機電源在20%、50% 和100%負載條件下要達到80%或更高的能效標準和要求。另外，美國于08年推出的“能源之星”電視產(chǎn)品3.0版規范以及“能源之星”外部電源2.0版規范和09年推出的“能源之星” （ENERGY STAR?） 計算機5.0版規范也是旨在提高設備對電能的利用率。能效規范標準的日益普及要求、所有操作模式的電源轉換具備更高的能效，其中包括降低待機（空載）能耗、提升電源工作效率、采用功率因數校正（PFC）或減少諧波。

實(shí)例說(shuō)明電源設計中改善電路段能效的方法

在一個(gè)電源設計中，能效規范對電路段的挑戰主要體現在PFC能效、主轉換器能效和次級能效幾個(gè)方面。要提高這幾個(gè)方面的能效，就必須改善如圖1所示電路紅色框中的元件性能。以下將介紹改善電路段能效的幾種方法。


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1.改善PFC能效

改善PFC能效的目標是為了實(shí)現功率因數校正短的效率達到96%以上。采用無(wú)橋PFC（圖2a）可以減少橋損耗，采用交錯式PFC（圖2b）可以滿(mǎn)足較高功率應用的要求，以提升PFC能效。此外，還可以利用IC技術(shù)減少開(kāi)關(guān)損耗，并利用更優(yōu)化的拓撲結構來(lái)減少EMI濾波器損耗。
采用安森美半導體的NCP1605高能效待機模式PFC控制器就可以提高PFC輕載能效，進(jìn)一步降低損耗。該器件采用高壓電流源，外部設定固定開(kāi)關(guān)頻率，并可工作在DCM/CRM模式；可以在待機條件下軟跳周期（Soft-SkipTM）工作；PFC就緒信號可以進(jìn)行快速線(xiàn)路/負載瞬態(tài)補償；谷底導通可實(shí)現過(guò)壓保護和欠壓保護；同時(shí)還具備輸入欠壓檢測、平滑啟動(dòng)的軟啟動(dòng)、過(guò)流限制和閂鎖功能。
   
2. 改善主轉換器段能效

要提高主轉換器能效可以采用以下幾種方法。一是通過(guò)降低導通阻抗（開(kāi)關(guān)損耗較高）和/或減小初級峰值電流和均方根電流來(lái)降低初級導通損耗；二是考慮采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)降低開(kāi)關(guān)損耗；三是通過(guò)減少整流器壓降（使用低正向壓降二極管或FET整流器）來(lái)降低次級損耗；四是采用更好的磁芯材料來(lái)降低磁芯損耗。表1列出了主要軟開(kāi)關(guān)的拓撲結構，可供設計時(shí)參考。

表1. 主要軟開(kāi)關(guān)拓撲結
改善次級能效

同步降壓轉換器是提高能效的好方案，采用DC-DC軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以進(jìn)一步提升能效。安森美半導體的NCP4302同步降壓控制器的滿(mǎn)載能效比肖特基二極管高2.5%；而NCP4331后穩壓器則比傳統磁放大器的能效高7%，都可以為次級能效的提升做出貢獻。
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高能效電源產(chǎn)品應用實(shí)例預覽：

為了給大家更詳細地、更系統地講解高能效電源設計的實(shí)質(zhì)內容，我們會(huì )在接下來(lái)幾講的內容中為大家提供了幾種典型的高效電源參考設計，包括滿(mǎn)足個(gè)人電腦電源能效趨勢以及提升液晶電視能效方面的要求上的內容，還將為大家講述太陽(yáng)能充電控制器設計和高能效智能電表電源方案。

1．筆記本電腦電源適配器設計

伴隨著(zhù)越來(lái)越多的筆記本用戶(hù)要求高性能、小尺寸或低重量的筆記本，同時(shí)價(jià)格適宜。對于電源適配器設計人員而言，就要選擇適合的控制器，用于開(kāi)發(fā)高能效、集成豐富保護特性、尺寸小巧的適配器。從大多數用戶(hù)的使用情況來(lái)看，筆記本電腦有相當的時(shí)間內會(huì )處在輕載或待機條件下。與提高 25%、50%、75%或 100%負載條件下的能效相比，降低極低負載條件甚至是待機條件下的能耗及提升能效更具挑戰性。這就要求電源控制器具備極佳的輕載或待機能耗性能。

在第二講的內容我們將會(huì )為大家講解采用NCP1250/NCP1251反激控制器制作出符合筆記本電腦電源適配器要求的設計實(shí)例。由于NCP1250/1是集成了應用高密度電源適配器所需的關(guān)鍵特性，如非耗散型過(guò)功率保護、能夠應用過(guò)溫保護、小封裝(TSOP6)及 Vcc 引腳過(guò)壓保護(OVP)(僅 NCP1251)等。NCP1250/1 在提供高工作能效的同時(shí)，通過(guò)采用頻率反走技術(shù)及跳周期模式，在輕載或待機模式下的能耗極低，從而能夠在完整負載范圍內提供高能效。

2．臺式計算機、平板電視的高效能電源控制器方案

計算機、服務(wù)器及平板電視向來(lái)是能效規范機構的重要目標，這些設備必須在滿(mǎn)足高性能的同時(shí)符合最新能效要求。在第三講的內容我們將介紹應用于計算機ATX電源及平板電視的高能效、高性能功率因數校正(PFC)及半橋諧振雙電感加單電容(LLC)組合控制器NCP1910的主要特性及電源段的應用設計要點(diǎn)，幫助工程師更好地采用NCP1910進(jìn)行相關(guān)的電源設計。

3．高能效太陽(yáng)能充電控制器設計

第四講將為大家介紹一款太陽(yáng)能電池控制器NCP1294，用來(lái)實(shí)現太陽(yáng)能電池板的最大峰值功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），以最高能效為蓄電池充電。由于NCP1294 是一款固定頻率電壓模式 PWM 前饋控制器，包含電壓模式運作所需的所有基本功能。作為支持降壓、升壓、降壓-升壓及反激等不同拓撲結構的充電控制器，NCP1294針對高頻初級端控制操作進(jìn)行了優(yōu)化，具有逐脈沖限流及雙向同步功能，支持功率最高140 W 的太陽(yáng)能板。這款器件提供的 MPPT功能能夠定位最大功率點(diǎn)，并實(shí)時(shí)根據環(huán)境條件來(lái)調節，使控制器保持接近最大功率點(diǎn)，從而從太陽(yáng)能板析取最大的電量，提供最佳的能效。

4. 高能效智能電表電源方案

從智能電表的組成來(lái)看，主要包括通信、電源及電源管理、計量及存儲等功能模塊。就電源及電源管理模塊而言，第四講的內容將為大家提供包括高壓交流-直流(AC-DC)開(kāi)關(guān)穩壓器、直流-直流(DC-DC)開(kāi)關(guān)穩壓器/控制器和低壓降(LDO)線(xiàn)性穩壓器等設計方案，以方便讀者根據具體應用選擇適合的方案。這些電源方案具有高能效、低能耗及豐富保護特性等特點(diǎn)，將會(huì )成為是智能電表未來(lái)的發(fā)展趨勢之一。