以mWSaver技術降低設備待機時間功耗

Fairchild FAE經理 林乾元

Nielson市調公司在2010年11月的調查顯示，美國智慧型行動電話滲透率在2011年第3季可望超越50%，將取代傳統手機成為最大宗的行動通訊裝置；而Forrester Research對於eReader在2010~2015年於美國市場的發展預測則認為，平板電腦已成為未來PC市場的主力產品，其比例會由2008年的9%，至2015年時變為23%。在這些行動通訊裝置數量快速成長的影響下，根據《Selantek Power Supply Report 2010》的報告指出，全球電源供應器市場在過去4年的整體成長率高達60%，特別是在「電池充電器」的部分，有近乎5倍的成長，而AC to DC市場(如LCD、TV及監視器等產品)的成長率也有接近50%左右的水準...

美國快捷半導體(Fairchild semiconductor) FAE經理林乾元表示，一般人在將洗衣機、電視機、錄放影機、PC、電腦周邊或行動裝置…等設備的充電器或電源插頭插入到插座之後，就很少會再將其移動或拔除，即便是處在待機狀態，或是未使用時仍是如此。「這往往會造成很大的電力耗損問題。」

待機電力損耗 嚴重衝擊環保

根據快捷半導體的資料，目前全球約有60~100億個電源供應器，每天平均約有20個小時是處於待機的狀況；而在美國，平均1個家庭就有40項設備每天都在耗損電力，其總和量約佔去家用電力的10%。「如果再加上開發中國家，用於待機時機所產生的大約5~10%電力耗損，就等同於製造全球1%的二氧化碳排放量。」由上述這些數據可知，降低設備在待機時間的功耗，對於杜絕能源浪費與降低碳排放具有十分重要的影響。

林乾元說：「這其中又以數量龐大的智慧型行動裝置充電器最為重要。」僅依據現行「能源之星」5星等級的規定，設備於空載時其待機電壓就不得超過30mW，而預期在未來2年內還將會有更嚴苛的規定出現。此外，也由於該類型產品對於美觀與輕巧性的要求很高，使得有不少設備製造商開始使用工作頻率較高的高頻變壓器，將其整體的體積縮小，同時減少製造成本。「不過這也造成待機時間的功耗損失更為嚴重，並且容易產生大量熱能。」

為了解決上述問題，快捷半導體推出可提高電源節能效能的mWSaver技術，並已在Green PWM ICs、Green PWM ICs、Green FPS – Fairchild Power Switchs、Resonant Control ICs及Power Switches、PFC及Combo (PFC + PWM) ICs、Synchronous Rectifier Controllers/Drivers與BLDC Controllers…等電子零組件上獲得採用。

mWSaver技術 提高電源節能效率

林乾元強調，雖然目前市面上大部分的電池充電器，其待機耗能平均約落在50~100mW的範圍之間，但新型的FSC IC已可達小於10mW的水準。以全球每年銷售10億顆電池充電器，平均每顆每日待機時間20小時的狀況來計算，如果都能轉換成FSC IC，把原待機耗能由100mW降至10mW，則相當於每年減少50萬桶原油的消耗量，「而依照此市場成長比率來推估，未來還將有可能到達每年節省100萬桶原油消耗量的規模。」

由電路結構來分析，設備在空載時常會發生能量損耗的零組件包括EMI Filter(EMI Bleeding Resistor Loss)、RCD snubber(Snubber Loss)、Power Switch(Swithching Loss & Gate Drive Loss)、PWM Controller(PWM IC Operation Loss)、Optocoupler(FB Loss)、Error Amplifier及Loop Compensation(Shunt Regulator Divider Resistive Loss)，以及Core Loss、Switch Loss與Conduction Loss…等類型。林乾元說，由於上述損耗的高低，與其工作頻率有相當大的關係，因此我們在系統輕載/空載時，常會對頻率進行相對應的調整。

舉例來說，當電子產品在輕載時常會進入所謂的Burst Mode，而此時其頻率對於MOSFET Loss、Snubber Loss…等類型的耗損就具有高度的影響。林乾元表示：「由於調整PWM burst的工作周期，FB pin的電壓水準居於關鍵性的地位，因此我們可以藉由控制該電壓的大小，決定burst頻率的高低，以便於改善待機時電能耗損的現象。」以一般佔總待機電力耗損15%的IC Operation Loss為例，運用快捷半導體的解決方案，將Burst Mode中的IC Operation電流降至0.2mA，即可顯著減少許多無謂的耗損。

快捷半導體的mWSaver是一種電路與流程最佳化整合技術，能夠直接嵌入到關鍵的電源變壓器零組件中使用。「只要所有元件能利用指定的mWSaver技術，就能使其待機/空載時的電力消耗達到業界最低的水準。」以mWSaver為智慧型裝置所設計的FAN302HL為例，其PWM controller的待機耗電量即小於10mW，非常適合用電量5~15W的智慧型手機及平板電腦等裝置使用。

除此之外，FAN302HL還具有無需次級回饋電路即可進行穩定電流控制、以高伏特電壓啟動、運用跳頻將PWM頻率固定在85kHz，以減少EMI、透過線性切換頻率下降進行穩流、固定切換頻率到Burst mode來穩壓、逐周期電流限制、Auto recovery進行VDD過電壓防護、VDD的UVLO閉鎖在5V、Gate輸出最大電壓抑制在15V、固定過熱防護…等特性。根據該公司的分析計算，其加總MOSFET loss、第2 FB loss、IC operating loss、Snubber loss的結果，其待機耗電量應為9.07mW，而實際為客戶測量的結果，在有次級回送、264Vac的情況下，其空載損耗更僅為8.7mW。

多重保護機制 安全兼省成本

林乾元認為，這是由於FAN302HL本身就內建有多重的保護機制，如溫度保護、短路保護、穩定電壓輸出端…等，因此不僅能夠減少使用許多中間的零組件，並可進而降低功率損耗及生產製作成本。而其所帶來的良好動態CV、CV變動在±5%，CC在±5%，以及ripple小於100mV…等優勢，更使其在能源使用效率方面得以符合能源之星EPS 2.0版本第5級的要求。「目前FAN302HL共有5W及10W兩種版本，分別適用於智慧型手機或Tablet PC的充電器，設備製造商可依其需求規劃使用。」

10幾年前，1台筆記型電腦的變壓器待機耗電量可能約在2~3W左右。但隨著新一代能源法規的實施，現在行動裝置待機耗電量必須維持在0.5W~0.3W以下，僅約以往的10分之1。林乾元說：「這部分可透過CMOS的IC製程，以及依負載下降，自動關閉沒有用到的IC工作區域，讓操作電流由原來的毫安培(千分之一)減少至微安培(百萬分之一)，來達到省電的目標。」

不過PWM Controller並沒有所謂的高壓開關，需要透過電阻才能執行啟動迴圈，而該電阻在啟動作業完成之後雖然已無工作需要執行，但仍然會通電並造成電力持續耗損。對此快捷半導體設計了1個小安培數的啟動開關，在IC啟動之後，會自動將迴圈切斷。林乾元表示：「這至少可再減少100mV的電力浪費。」另一方面，以往Feedback loop Loss由於耗電量較其他耗損為少，常被許多設計廠商所忽略，而現在由於其在輕載時，所用的電流已佔去總電流的一半，需要以提高電流的方式來處理。「但這會在其他部分的元件造成大量耗損。」林乾元說，解決方式是增加RFB，使VFB在提高時，可讓FB及其他元件的電流都能跟著減少。

此外快捷半導體還採用如Ax-Cap、Brown-out Protection與空載Vdd Operation-PSR Mode…等多項技術，以達成節能省電的目的。林乾元說：「透過不斷發展各項如mWSaver技術與FAN302HL解決方案的研發投入，快捷半導體工程師希望能藉此為用戶帶來最大效能、最簡化的設計及降低原料製造成本…等效益。」而針對SMPS ICs所設計的mWSaver技術，預計也將會於2011年公開，其內容會包括額外的PWMs、PFC、PFC/PWM combo controller、Fairchild Power Switch及Synchronous Rectifier controller，以滿足市場上更多樣化的變壓器需求。