更加“绿色”的电源刚出现

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作者：Tony Armstrong时间：2007-12-05来源：电子产品世界收藏

凌力尔特公司
电源产品部
产品市场经理
Tony Armstrong

引言

　　从政府部门到仅仅是单纯的环保意识使然，对较高能效的需求受到各方面多种因素的驱动。因此，大多数工业化国家都认识到，需要节能。这是因为随着人口增加，对能量的需求也增加了，人们需要能量为新住户的加热/冷却系统、照明系统和家用电器供电。不仅建立新的发电设施需要大量资金，将产生的电能输送到用户处成本也很高昂。人们已经发现，与建立新的发电设施相比，将大多数家用电器目前的能耗降低 15% 到 20% 是更经济的做法。

　　我们来看一下服务器的功耗 (支撑互联网运行、传送成几百万份 YouTube 视频、保持经济运转的大功率计算机)，从 2000 年到 2005 年，服务器使用的电能翻了一番，到 2010 年，可能再增长 75%。换一个角度来看，在 2005 年，保持 Google、微软、雅虎等互联网巨擘的数据中心运转所需的电量相当于 14 个 1,000MW 的发电厂发出的电量。

　　在美国，仅“服务器市场”消耗的电能就足够让 5 个这样的巨型发电厂日夜不停地运转。此外，IDC 最近发布的一份研究报告估计了全球由于计算而使用的电能，从这份报告可以推断出，2005年，美国服务器市场消耗的电能是美国所发总电能的 1.2%。供电公司因这些电能消耗而进账 27 亿美元。从这些数据很容易理解，仅在美国，在这样的电量消耗水平上，每年节省 1% 的电能就可能节省 2700 万美元。

一种更加“绿色”的方式

　　由于建立新的发电设施成本很高，因此很多国家已经采取了所谓的“绿色政策”，即鼓励制造商在最终产品中纳入节能技术。就用在节能 DC/DC 转换器设计中的电源管理集成电路而言，必须有两个主要特点。首先，必须有非常高的转换效率。其次，在备用和停机模式必须具有低静态电流，以最大限度地降低功耗。

　　一个集成电路的效率越高，它在转换过程中消耗的电能就越少。例如，考虑用于 DC/DC 转换器的两个不同的集成电路，假定向设备负载提供 5A/5V（25W）的电流和电压。如果第一个集成电路的效率为 95%，那么我们可以得出：

　　Pout/效率 = Pin，
　　或者，在这种情况下，Pin = 25/0.95 = 26.3W

　　如果第二个集成电路的效率仅为 77%，那么我们得出：

　　　　　　　　Pin = 25/0.75 = 33.3W

　　如我们所看到的那样，在这个例子中，能量差别是 7W。因此，在第二种情况下，必须多发 7W才能为该设备供电。这不仅增加了对电能的需求，而且还给系统的热量设计增加了额外的负担，因为 DC/DC 转换器还必须散出这些转换成热量的功耗。

　　类似地，如果一个 DC/DC 转换器具有大的静态电流，那么它在工作时就需要更多功率（和能量）。考虑一个采用 4 至 5 个不同负载点（POL）转换器的设备，总能耗很快就会达到一个不容忽视的数字。通过降低静态电流，可以切切实实地节省能量。

　　多年来，在由电池供电的手持式产品领域，对这类电源管理集成电路的需求一直存在。不过现在，在电信和网络系统以及电视机、电冰箱等家用电器中，能实现高效率转换并具有低静态电流的集成电路也正在变得越来越流行。

降低大功率系统的功耗

　　在很多“大功率”系统中，空间和冷却系统的成本都很高。因此，就任何 POL 转换器而言，做到紧凑、高效率并具有低静态电流以满足新的“绿色”标准都是极为重要。另外，很多微处理器和数字信号处理器（DSP）都需要一个内核电源和一个输入/输出（I/O）电源，这些电源在启动时必须排序。设计师们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。没有恰当的电源排序，就可能出现闭锁或过大的电流消耗，这有可能导致微处理器 I/O 端口损坏，或存储器、可编程逻辑器件（PLD）、现场可编程门阵列（FPGA）、数据转换器等支持性器件的 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却越来越受到限制。此外，功率密度给电源设计师带来了极大的挑战，不管设计师经验是否丰富都一样。一般情况下，要求这些电源设计具有高于 90% 的转换效率，以限制电源的功耗和温度。因此，电源设计的热性能尤其重要，因为只有很小的空间用来散出 DC/DC 电源转换损耗产生的热量，空气流动也有限。另外，这些电源必须有卓越的输出纹波和瞬态响应特性，同时还要限制所需的外部电容量，以减小电源设计的总体尺寸。

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　　凌力尔特公司面向“绿色”电源系统的产品具有很多独特的性能优势。例如，我们已经推出了适用于总线转换器应用的集成电路，如用于实现同步正向转换器的多相（PolyPhase®）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，两个器件组合形成了一个完整的隔离式电源，这个隔离式电源兼有多相工作的优势和副端控制的速度。LTC3706 简化了高效率、副端正向转换器的设计。LTC3705 和 LTC3706 形成了一个坚固和自启动的转换器，无需副端控制应用中常用的独立偏置稳压器。此外，一个专有电路通过单个纤巧型脉冲变压器对栅极驱动信号以及隔离势垒两端的直流偏置电源进行多路转换。

　　用于 POL DC/DC 转换的另一个有趣的集成电路是 LTC3736-1，这是一个两相、双路同步降压型开关控制器，具有驱动外部互补功率 MOSFET 的跟踪功能。其具有 MOSFET VDS 检测功能的恒定频率、电流模式架构无需电流检测电阻，降低了成本，提高了效率。由于输入电容器的 ESR，让两个控制器不同相工作最大限度地降低了功耗和噪声。LTC3736-1 独特的扩展频谱架构在 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，因此更容易符合国际 EMI 标准。脉冲跳跃工作提高了轻负载时的效率，100% 占空比实现了低压差工作。

　　LTC3409 是一种 600mA、高效率、单片同步降压型转换器，采用恒定频率、电流模式架构，参见图 1。除了同步到 1MHz 至 3MHz 外部时钟的内部锁相环，该器件还支持 1.5MHz 和 2.25MHz 的固定频率。这个开关频率范围允许使用小型表面贴装电感器和电容器。以突发模式（Burst Mode®）工作时的电源电流仅为 60uA 至 80uA，停机时降至低于 1uA。1.6V 至 5.5V 输入电压范围使 LTC3409 非常适用于 5V、2.2V 或 2.5V 电源轨的 POL 应用。用锂离子电池输入，LTC3409 在输出电流高达 600mA 时能提供 1.5V 输出，具有超过 90% 的效率。
　
图 1：适用于 POL 应用的 LTC3409 的原理图

　　还有高效率、三相 DC/DC 控制器 LTC3773，该器件能够处理高达 36V 的输入，并能够以每相超过 15A 的电流支持单路、双路或 3 路 0.6V 至 5V 的输出电压。这些相位中的两个可连接在一起以产生一个 30A 的输出，在这种情况下，两个通道可以反相工作，以最大限度地减小输入电容器上的压力。所有 3 个通道都可以调节单一输出，提供超过 45A 的电流。每个通道都可以按比例制或重合配置跟踪，还可以用很少的外部组件顺序启动或禁止这些通道。所有 3 个通道都禁止时，该控制器在停机模式一般仅消耗 18uA 电流。在轻负载时，LTC3773 可以工作在突发模式以最大限度地提高效率，也可以工作在强制连续模式（恒定频率工作以实现最小纹波），或者在二者之间折衷，工作在脉冲跳跃模式。

　　开关频率可以锁相到 160kHz 至 700kHz 的外部频率源，或者可以用 PLLFLTR 引脚上的 DC 电压设置。也可用典型的 220kHz、400kHz 和 560kHz 引脚可选频率。不管在哪一种情况下，CLKOUT 引脚都表示相对于通道 1 的开关频率处于 0o、60o 至 180o 的工作频率，在多个控制器集成电路用同一组输入电容器工作时，这个特点很有用。

　　在非常小的占板空间中需要 3 个 15A 的输出时，LTC3773 是一个明显的选择。图 2 所示是单个控制器的原理图，用一个不严格稳定的电源提供 3 个低压、大电流输出。
　
图 2：LTC3773 的 3 个独立输出，用单一 4.5V 至 22V 电源提供 2.5V、1.8V 和 1.2V 电压