超低待機功耗充電器的最新規範、挑戰及應用
- DIGITIMES企畫
-
廠商致力於提供高效能電源晶片與相關解決方案，協助產業界打造出匹配Ultra Mobile裝置的小巧電源供應器，同時提昇轉換效率提昇並降低待機功耗時，放諸於全球上億部消費電子、行動裝置與家電裝置下，累積出來的能源節約量相當可觀..
恩智浦半導體(NXP)高性能混合訊號事業部(High Performance Mixed Signal)、大中華區資深產品行銷經理張錫亮，在Ultra Mobile技術論壇中，介紹超低待機功耗充電器和適配器電源的最新國際規範，以及NXP最新的電源IC解決方案，以協助產業界克服Ultra Mobile時代中的設計挑戰。
NXP源自於飛利浦(Philips)半導體事業部，在2008年獨立出來，提供高性能混合訊號(High Performance Mixed Signal)和標準產品如電晶體、邏輯元件等解決方案。
恩智浦(NXP)電源IC方案簡介
NXP提供的電源IC，具備了milli-W毫瓦等級的超低待機功耗，以因應當前能源之星Energe Star、歐盟EUP Lot6等對超低待機功耗的嚴苛規範。
張錫亮接下來闡述當前家電、電腦周邊、行動裝置的耗電量及節能市場信息，講解超低待機電源方案的必要性、相關規範之挑戰，最後並介紹NXP針對減少待機功耗及提高功率的充電器和適配器電源方案，以及產品設計實例的分享。
電源控制器外型低待機功耗設計趨勢
目前電源設計的趨勢，不外乎符合第二代低功耗(低待機高效率)、電源供應器尺寸儘量縮小方便攜帶，及USB充電部份達到無噪訊與容易使用。
目前USB 3.0充電器可充到0.9A約4~5W，下一代USB充電接頭可以做到9~10W。據能源之星網站統計，全球能源使用比例，約29%用於加熱，17%用於冷卻，13%用在家電產品，12%用於照明，其他11%用於像外接電源、電信設備、STB機上盒、家庭視聽娛樂等用途，加總起來共25%的家電與3C？PC？NB產品，可藉由低功耗高效率的電源晶片，協助縮減這部份的耗能。
依Gartner預測，到2017年的Desktop PC年出貨量維持在1.5億台以上，但包含Ultrabook加入之後的NoteBook年出貨量，則可達4？4.5億台，2015年TabletPC年出貨量可以突破3億台。Smartphone成長幅度驚人，2012年約5億隻，到2015年增加3倍到15億隻，自然也帶來許多充電器與電源供應器的商機。
張錫亮展示1個由客戶開發的90W薄型電源適配器，採LC架構且大小跟一般名片盒差不多；他特別提到NXP晶片，可以協助業界設計做到待機功耗僅0.2W的LC架構的電源適配器，突破以往LC架構的電源適配器待機功耗無法壓低的限制，同時NXP也有針對Ultrabook的40~50W以及更小巧的10W、5W的電源適配器解決方案。
在降低待機功耗規範上，像2007年由LG、Motorola、 Nokia、Samsung與Sony Ericsson等手機廠商，聯合制定30mW的待機功耗規範：從0星等(大於0.5W)、一星等(0.35~0.5W)、二星等(0.25~0.35W)、三星等(0.15~0.25W)、四星等(0.03~0.15W)到最高5顆星等(小於等於0.03W，即30mW)。能源之星則要求設計功率50W以下電源供應器，AC-AC待機功耗0.5W以下，AC-DC則要0.3W；設計功率50~250W的電源適配器，AC-AC或AC-DC的待機功耗均得在0.5W以下。
在2009年1月7日的歐盟EUP指令Lot 6規範，任何在歐盟上市的家電、個人電腦、消費性電子甚至玩具等，無論是待機、睡眠或是關機功耗都必須在1W以下，若含狀態顯示則不得超過2W；2013年1月7日以後上市的產品，關機模式、待機模式的耗能不得超過0.5W，若含狀態顯示功能則不得超過1W。
要符合EUP Lot 6的筆電Adaptor與LCD TV電源供應器，其最低待機、關機功耗要低於0.5W@0.25W，有些NB大廠其待機模式下，光晶片組供電就0.5W，因此許多解決方案暫時無法做到；大陸更把TV待機功耗壓低到0.5W@0.2W，日本更要求到0.5W@0.15W。
桌上型電腦平均有36%時間處於待機模式，筆記型電腦約34%，顯示器或電視進入待機模式比例更高到43%。以全球2億部筆記型電腦與20億隻手機來計算，如果能降低待機功耗50%甚至更多，全球所節省累積下來的電費一年可能有新台幣200~300億元。
降低待機功耗的設計應用實例
張錫亮以一張Switching電源的轉換效率圖說明，能源損耗是由Switching losses(切換損耗)、Magnetic losses(磁性損耗)加上Conduction losses(傳導損耗)，靠近滿載時Conduction losses會恆定，系統空載時Switching losses為恆定。高負載降低Conduction losses的方式就是採Synchronous Rectification(同步整流)，像使用TEA1791/1761 做Flyback交換式電源，TEA1791A/1795 線性整流以取代蕭基二極體，或採用降低導通電阻的MOS製程；低負載轉換效率提昇部份，可使用Bust most、Soft switching、QR或切換頻率降低的方法來達成。
Flyback QR在重負載下要有高效能表現，可以多種模式操作，在重負載情況下電源晶片頻率降低，偵測準諧振(Quasi-resonant；QR)使Switching losses最小化，並降低EMI電磁干擾。而Flyback QR線路要在輕負載下有高效能表現，可藉由低負載模式下關閉PFC變換器(PFC converter)來降低能源耗損，TEA175X電源晶片允許反饋迴路中使用更高靈敏度的感測電阻IC。
接下來，張錫亮展示一張以負載需求做變頻的Switching電源線型圖，進一步將電源晶片功耗也計算在內。想辦法避掉22KHz以上與28KHz以下的頻率區間，開發出這種特性的電源晶片，包括瞬間幾十個ms時間內需要大功率的Burst most模式，因應各種不同負載狀況可以降低其Switching losses並提昇效率。以TEA1733/1738為例，低負載模式下以降低Switching切換頻率來降低Switching losses，此時電流輸出降為尖峰電流值的25%。
設計低於65W輸出功率的其輕負載應用環境，以追加主動式x-cap 放電線路、高歐姆靈敏度感測線路，可取代低功耗TL431 IC以達到更佳的精準度。同時TEA1733 IC空載時只有10毫瓦(0.01W)，主要是其操作電流非常低，IC本身耗電僅3mW(0.03W)。至於 設計功率輸出小於20W的充電器或電源適配器的建議設計上，以TEA172X系列在Burst Mode爆發重負載模式下，設定切換的頻率在400Hz？1850Hz之間可降低待機功耗，操作電流量僅尖峰值的1/4；正常操作模式下頻率設定在22.5Khz？51.5Khz區間。
TEA1731採TSOP6封裝，轉換效率平均90.55~90.9%，可應用在19.5V與設計輸出功率40W的電源適配器設計。若要再進一步降低電源IC本身功耗，可使用採絕緣矽(SOI)製程的元件，由於每個電晶體都包覆絕緣層，因此洩漏電流量更降低許多。例如採絕緣矽SO8製程的TEA1738為例，轉換效率同樣是90.55~90.9%，其啟動電流僅10μA，操作電流僅5μA，是競爭對手的1/3~1/4。
GreenChip SR TEA1792晶片可做為筆電電源適配器、充電器以及LCD TV液晶電視的電源，同樣採絕緣矽SO8製程，8.5~38V廣域工作電壓與10V高電壓輸出，以及可搭配同步整流零組件進一步提昇轉換效率。至於設計輸出功率100W以上且符合支援EUP lot6規範的電源設計部份，可使用TEA1713搭配TEA1716晶片，達到待機功耗250mW(0.25W)的需求。
小於11瓦的USB充電器、智慧手機、平板電腦甚至到家電應用的低待機功耗電源方案，可採用TEA172x電源晶片家族，從5W的TEA1721(TEA1721AT/BT/DT/FT)、8W的TEA1722與支援11W的TEA1723(TEA1723AT/BT/DT/FT)，支援高性價比的設計，BoM表零組件數少於30個，以115V電源供應下待機功耗低於5mW，同時提供超越EPA 2.0的轉換效率(5W模式下平均75~78%)。以TEA1721BT設計的5W(5V/1A) USB小尺寸手機充電器設計實際案例，其尺寸僅40mm(長) x 28mm(寬) x 14mm (高)。
（本文提供英譯版本，請按此連結閱讀英譯版本內容）
