“绿色”电源无论哪里都能用

电源产品部

产品市场经理

Tony Armstrong

全世界都在关注降低能耗的问题，这不仅是为了节省资源，而且也是为了最大限度地减轻对环境的有害影响。因此，为了减轻对石油、天然气和煤的依赖，我们必须寻求对环境产生更少有害影响并来自更干净的天然来源的可替代能源。结果，利用太阳的光和热输出意味着采用太阳能电池板将这种能源转换成电能。类似地，风车可以从风中获得能量，并将其变成电能，而水力发电系统也可以将水流的动能转换成电能。

所有这些领域的努力仍然处于萌芽期时，仍然有大量靠电网供电的应用，系统设计师可以立即施加影响来降低其能耗。大多数工业化国家认识到，他们需要节省能量。这主要是由于以下事实：随着人口增加，为具有加热/冷却系统、照明和家用电器的新家居供电的能量需求也增大了。不仅建立新的发电设施耗费大量金钱，一旦电力产生，将电力提供给用户也耗费大量金钱。据观察，与建立新的电力设施相比，将大多数家电目前的能耗降低 15% 到 20% 更具成本效益。

与建立新发电设施有关的高成本会导致的结果是，很多国家已经实施了“绿色计划”，他们以此鼓励制造商在其最终产品中纳入节能技术。这已经使很多电源管理 IC 供应商在改善他们的产品进入备用模式时的电源转换效率和功耗方面取得了很大进步。显然，就用作节能 DC/DC 转换器组成部分的电源管理 IC 而言，必须有两个主要属性。首先，它必须在宽负载电流范围内有非常高的转换效率。其次，它必须在备用和停机模式有低静态电流。

以“服务器群”为例, 在该领域中, 绿色电源计划会产生一种重要而且有点“即刻生效”式的作用。显然，在此类特殊的高功率系统中，空间和冷却是十分必要的。结果，就任何 POL 转换器而言，紧凑、高效并具有低静态电流以满足这些新绿色标准的要求都是极为重要。此外，很多微处理器和数字信号处理器（DSP）都需要内核电源和输入/输出（I/O）电源，而它们在启动时必须进行排序。设计师必须考虑在加电和断电操作时内核和 I/O 电压源的相对电压和时序，以符合制造商的性能规格要求。如果没有恰当的电源排序，就可能产生闭锁或过大的电流，结果可能导致微处理器 I/O 端口或诸如存储器、可编程逻辑器件（PLD）、现场可编程门阵列（FPGA）或数据转换器等支持器件的 I/O 端口损坏。

在高性能、大功率电源设计不断需要更多功率的同时，它们在可用电路板空间上正变得越来越受到限制。此外，不管电源设计师是否经验丰富，功率密度都给他们带来了极大的新挑战。一般情况下，这些设计需要具有高于 90% 的转换效率，以限制电源的功耗和温度上升。因此，热性能设计尤其重要，因为用于散出由 DC/DC 电源转换损耗和有限的空气流动产生的热量的空间非常小。除此之外，这些电源必须有卓越的输出纹波和瞬态响应，同时还须限制所需的外部电容量以缩小电源设计的总体尺寸。

然而，一个令系统设计师烦恼的常见问题是应采用单级转换，比方说从 48V 到 1.xV，还是两级转换，假设从 48V 到 12V 中间总线架构（IBA），然后利用负载点（POL）转换器从 12V 转换到 1.xV。但这是一个难题，因为答案取决于很多因素。此外，这些因素将根据系统类型、其部署、采用的设计方法以及其它大量的变数而改变。

不管采用哪种架构，电压不断下降的同时对更高电流日益增长的需求持续驱动着很多这类大功率系统的开发。在这个领域的大量进步可以追溯到电源转换技术的改进，尤其是电源 IC 和电源半导体的改进。总的来说，通过在对电源转换效率产生最小影响的前提下允许更高的开关频率，这些组件为提高电源性能做出了贡献。这种情况可靠降低开关和导通状态损耗来实现，同时允许高效率地去除热量。不过，向更低输出电压迁移给这些因素施加了更大的压力，也即是又带来了极大的设计挑战。

分立型电源设计和传统的电源模块都是和分立元件一起制作在一块印刷电路板上，因而由于外形尺寸的影响而导致电性能和热性能均受到限制。不过，关键是提供一个完全集成并提高电气和热性能的电路解决方案，同时给新手提供一个易于使用的紧凑型解决方案。凌力尔特公司不断扩展的 LTM460x 微型模块（uModuleTM）产品线为很多空间受限电源设计提供了解决方案。这些高性能 POL 微型模块稳压器在不牺牲热性能或电气性能的前提下可以解决紧凑型占板面积问题。就紧凑型 POL 稳压器设计挑战而言，基于模块的解决方案将与分立电源转换器和传统电源模块相比较。

大功率 POL 稳压器是空间受限电源设计的一个很好的例子。这种类型的电源在大型系统板上一般放在非常靠近微处理器、FPGA 或 ASIC 的地方，为这些器件提供全部必需的功率。大型数字器件常常需要范围为几安培至100安培以上的电流。大型系统板常常需要几个这样的 POL 电源，因此为这些电源设计的每一个分配空间带来了挑战。除此之外，系统板的背面常常是高度受限的，一般不适合电源设计。分立电源转换器一般会利用系统板的两面实现紧凑型设计，而传统电源模块设计由于其高度太高，将仅限于系统板正面。传统电源模块设计一般战略性地放置在系统板上，以避免堵塞其它集成电路所需的空气流动。这常常由于电源稳压器就其负载而言的次优化位置而降低了性能。

此外，凌力尔特公司以“绿色”电源系统为目标的产品还有很多独特的性能优势。例如，我们已经推出了适合总线转换器应用的 IC，诸如用于同步正向转换器的多相副端控制器LTC3706。当与凌力尔特公司的栅极驱动器和主端控制器 LTC3705 一起使用时，该组合建立了一个集成多相工作威力与副端控制速度的完整隔离式电源。LTC3706 简化了高效率、副端正向转换器的设计。LTC3705 和 LTC3706 形成一个坚固、自启动转换器，消除了对副端控制应用中常用的独立偏置稳压器的需求。此外，一个专有电路还通过单个纤巧型脉冲变压器对栅极驱动信号以及跨隔离势垒两端的 DC 偏置电源进行多路转换。

另一个引人注意和用于 POL DC/DC 转换的 IC 是 LTC3736-1，该器件是一个两相、双路同步降压型开关控制器，具跟踪功能，驱动外部互补功率 MOSFET。其具 MOSFET VDS 检测的恒定频率、电流模式架构消除了对电流检测电阻的需求，这降低了成本并提高了效率。让两个控制器以异相工作，最大限度地降低了由输入电容器 ESR 引起的功率损耗和噪声。LTC3736-1 独一无二的扩展频谱架构在 450kHz 至 580kHz 范围内随机改变开关频率，极大地降低了输入和输出电源上的峰值辐射和传导噪声。这使符合国际 EMI 标准更容易了。脉冲跳跃工作提高了轻负载时的效率，100% 占空比能力提供了低压差工作。

由于在一个给定机箱内的空间和冷却受限以及需要正确的电源跟踪以改善系统可靠性等多种限制因素，用于大功率系统的 POL DC/DC 转换器设计师面临着很多挑战，最后，尽管市场上产品设计周期在日益缩短，LTM460x 系列微型模块易于使用，这可缩短产品从开发至上市的时间，并最大限度地降低了所需的设计专长水平。

显然，电气系统节能在全球的势头正在增强，就产生和消耗而言，成本节省对全球太具有吸引力了，以至难以忽视。奋起迎接这一挑战的是很多电源管理 IC 供应商，他们正在采用新的设计方法，以在其产品中对数 10 安培负载电流实现高效率转换。同时，他们还在 IC 置于备用或停机模式时实现了更低的静态电流。

在所有这些努力下隐藏着对社会的好处。通过降低电气系统消耗的功率，增加发电厂的需求减少了。这意味着，需要更少的土地来建发电厂、更少的燃料为发电厂提供动力、更低的辐射排放到环境中，因此减少了污染。所以，我们正在共同使地球成为一个对下一代更好的地方。