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绿色电源管理应对消费电子革命
发布时间:2009/1/5 浏览1858次

                                   绿色电源管理应对消费电子革命

不言而寓,家电产品市场是一个产品更新换代最快的市场,产品的竞争主要体现在新技术的不断应用。目前全球家电产品最受关注的莫过于节能、保环这两大密切相关的趋势。先进的节能技术可以自动调整电子产品的工作状态,使其工作效率始终处于最佳,同时又可节水、节电和节省时间,进而满足绿色节能的要求。例如,智能化电烤箱能够缩短烹烤时间;采用变频技术的空调、冰箱和洗衣机可根据工作负荷调整工作状态,从而达到速度可调和节省电能的目的;数字消费的功耗要求同样使电源面临着高功率密度、可靠性和性能及紧凑度的挑战。

在家电产品新技术的应用方面,电源管理技术首当其冲,它可以在更小的硅片上集成更多的功能特性,同时又能以更高的设计灵活性实现更强的系统用电性能,又不会增加系统成本。本文将结合ST(ST Microelectronics)用于家电应用的一些技术产品,介绍绿色电源管理技术在该领域的发展趋势和相关应用,为中国的OEM和EMS提供一些有用的信息。

家电市场拉动电源管理需求

为满足节能及环保要求,针对不同应用与不同的功耗范围,许多国家的政府及能源机构都纷纷出台了各种新的能耗标准。与此同时,更加严格的规范也在制定之中。降低能耗已成为家电设计和生产厂商无法回避的重要课题,同时也对电源管理也提出了更高的要求。

在冰箱、空调、洗衣机、微波炉等白色家电市场,2005年对电源管理IC的需求呈现出强劲增长。无论是来自国家能源战略、环境保护、降低二氧化碳排放量的驱动,还是应对经济增长带来的用电缺乏的挑战,每个人都在寻求节能或如何优化能量利用的方法。调查表明,在一个家庭的用电中,白色家电的消耗不少于50%,而且大多数白色家电的效率仍然低于60%。这意味着每户居民电能中的20%没有利用就浪费掉了。换句话说,电厂发出的20%的电是未被使用的。这就是白色家电成为国家和全球范围的自主和强制性标识,如能源之星、能源标识和ECO标识等的原因。中国的第一个针对冰箱和空调的ECO标识已在2005年生效;中国能源认证中心(CECP)也正在为白色家电制订新的法规;政府也发布了今年生效并在2007年全面执行的采购政策,要求所有政府机构优先购买高效节能的电器。

不论是出口市场还是远未饱和的国内市场,中国的家用电器尤其是高效、低待机功耗的白色家电生产正在以高于全球平均增长率15%的速度增长。这类电器需要更多地采用电子控制来优化能量利用效率,这为电源管理IC提供了动力,使功率半导体的需求不断增长。ST预期,受益于这种增长,2005年其功率半导体的销售额将在去年基础上增长20%。

2004年,中国网络通信和消费电子产品市场中电源管理IC已成为规模最大的应用市场,用于消费电子产品的电源管理IC已占到27.6%。预计直到2007年,中国电源管理IC市场将在多功能需求方面继续保持高速增长。

家电更需要绿色节能

令人鼓舞的是,应用于白色家电和数字消费应用的电源管理技术取得了新的进展和突破,出现了许多可以应对提高能量效率和降低功耗设计挑战的新产品和解决方案。长期致力于消费产品电源管理市场的ST就为洗衣机、冰箱、空调、洗碗机和电磁炉等高效率需求的市场开发了许多创新的解决方案。例如,用于BLDC、AC电感、SRM、线性电机的变频式电机控制芯片(可用于无传感器V/F控制的8位ST7MC闪存MCU;矢量驱动、低传导损失IGBT、低开关损耗Turbo2二极管和半桥驱动器的32位ARM STR7 MCU);可减少总谐波失真和增加效率的功率因素修正电路(可用于BCM/CCM PFC控制器、功率损耗极低的第一代和第二代超级结点MDMesh、MOSFET、IGBT、Turbo2和极低开关损耗的汇接超快二极管);用于电磁炉的准谐振和谐振电源(用于可8位ST7LITE MCU、L6598和L6599共鸣控制器、IGBT、极低功率损耗的ESBT和超快二极管);可取代低效线性电源并满足1W以下低待机要求的开关电源(可用于VIPer、PWM控制器、MOSFET、快恢复二极管和肖特基二极管)。这些产品的共同特点是具备了节能环保所倡导的绿色特性。

解决方案不一定都昂贵

用户面对的另一个挑战是产品更新换代的成本。一些人认为,采用新型电机、新型负载和新型电子模块来开发高效白色家电就意味着的电器成本和价格的增加。实际上,我们忘记了通过一些有效的改进,就可以用低成本解决方案很容易地改进现有的成熟而便宜的电器,使之符合高效节能的绿色要求,进而获得市场的青睐。长期耕耘于该市场的ST在这方面拥有丰富的经验。以下的一些方法都可以实现这个目标:用便宜的电子调温器取代机电式双金属温度自动调节器,对冰箱的低振幅进行温度调节,可节省高达30%的电力;典型的解决方案是ST7 MCU和ACSTM AC开关演示板。将压缩机电子PTC(正温度系数电阻器)用于启动关断,可节省5%的电力,可采用ACS TM解决方案。发射极开关双极晶体管(ESBT)可以在高电压下为电磁炉或变频式微波炉等的准谐振SMPS提供极低的功率损耗。极低电流驱动的脉冲控制开关(三端双向可控硅开关和ACSTM开关)可以减少和不使用线性电源,将待机损耗降低到1W以下。此外,可以减少铁芯损耗的、适配电源电压的单相感应电机也正在开发当中。

值得一提的是,高效、低待机功耗的白色家电的使用效果必须进行适当的测量和记录,以便有效地进行修正并进一步满足更高的节能要求。因此,公用事业机构也必须使用精确和低功耗的电表设备。在这方面,ST也可以提供由演示板、应用笔记和工程设计支持组成的一整套解决方案:电压/电流采样、ADC、数字信号处理和步进电机驱动(STPM01);用来连接电压/电流数据和用户接口(液晶显示)的8位ST7 MCU;低功耗实时时钟(RTC M41T5xxx);在电源线上提供自动计量读出的低成本窄带通信解决方案——电力线调制解调器(ST7538),等等。ST广泛的产品线覆盖所有电源管理和电机控制领域。这也正是该公司一直走在白色家电的创新和具有竞争力的绿色电源管理节能解决方案前沿的充分体现。

智能白色家电的挑战

为了应对智能白色家电的挑战,除了能源效率外,许多厂商也在开发创新和独特的解决方案,以满足生产厂商对更多电子控制功能的需求。分析一下白色家电制造商的需求就不难发现,这方面的投资因素包括:减少生产成本、改进产品质量(符合6 sigma的要求)、减少元件库存和重新设计的成本。所有这些都与电子控制有关,如果只开发很少几个标准平台,采用集成度更高的电子器件,就可以实现其投资的最佳化。

这些市场需求也在推动电子控制向白色家电中延伸。ST集成的AC电源管理IC(STCC0x)就是专门为这个目的开发的,引领着简单、便宜、可靠、易于设计和生产的白色家电电子控制的潮流。为了减少白色家电的维护和售后成本,新的解决方案可以实现故障模式检测等方面的电子控制,利用智能ST ACSTM开关的微控制器具备的预防或修正功能实现诊断反馈,包括负载开路、短路、迟延加载等等。现在,还可利用ST MEMS(微型电机开关)的智能加速仪传感器来感知洗衣机负荷的不平衡状态和振动老化部件。通过一条串行总线即可了解电器的全面状态,也可以采用ST PLM(ST7538)通过电源线与售后支持网络进行通信,以节省后续的物流成本。

值得设计人员注意的是,白色家电是利用主电源供电的,处在直接、强大和危险的电气压力之下。电源管理通常需要转变为电源信号进行处理,它需要与数字技术迥然不同的电压,在电流水平和路径、精度、噪声抑制能力方面都不同于数字技术。因此,预言是否所有白色家电制造商的电子控制工程师都愿意花时间和精力去开发和调试软件,来改变已经十分成熟和可用的、具有竞争力和业经市场证明的功能是很困难的。当然,这个潜在的趋势很有可能得到更多的关注,一旦32位MCU达到低于1美元的价格,就将开始扩展到白色家电的市场空间,有可能利用数字技术来解决某些与电源管理功能有关的问题。利用独到的第5代到第9代BCD(双极CMOS-DMOS)技术,ST已经具备了实现了在不同电压水平进行全面的混合模拟和数字信号处理的能力。因此,不论使用BCD技术还是32位STR7 ARM MCU,其产品都涵盖了所有潜在的应用和电源管理领域的技术突破。

数字消费产品也要降低功耗

纵观现在和未来的数字消费应用市场,数字消费应用的创新总是由芯片技术的突破驱动的,这主要体现在产品特性的集成方面。例如,数字广播的需求使机顶盒整合到数字电视里;可重写DVD技术的下一波是与高清电视和数字电视系统整合在一起,以取代可重写VCR和DVD;实现大尺寸、高质量、彩色视频内容传送首选的等离子技术也正在迅速发展。与此同时,欧洲的许多国际能源机构,诸如欧盟行为规范/ECO标识/GEEA已在制定数字消费功耗方面的“能源应急”要求,以实现有效的节能和支持环境保护等绿色标准。在全球临时目标限制方面,机顶盒是8W激活/1W待机,DVD为1W激活,这将意味着可减少60亿磅由于转换过程带来的空气污染。中国要在全球消费电子市场中占有一席之地,就需要参照这些全球保护计划,参与和加速其CEC(中国能源保护)计划的实施。ST产品线已经满足了所有这方面的要求:L6568和L6599半桥谐振控制器IC分别具备了液晶电视低于1W和低于0.75W的待机损耗能力;VIPer53(PWM+MOS)和L5991 PWM也可为DVD/机顶盒提供低于1W的待机回扫拓扑;用于大屏幕液晶电视的PFC控制器L6563也可满足低于1W的要求。

多功能趋势对绿色电源的要求

数字消费产品的多功能化也是值得注意的趋势,它需要使用更多的元件、多通道电压和低电压内部电源。如何从系统出发设计出合理的输出电流、高转换效率、低噪声和小尺寸电源管理IC是又一个巨大的挑战。例如,高清电视和数字电视的进化需要等离子显示和蓝光存储等高科技的会聚。这为需要在关键的热环境和薄型尺寸下工作的电源系统提供了一个很好的例子。ST的半桥谐振拓扑L6598等高效解决方案可使电源设计师利用零电压切换和更小的磁性元件(与第一门象限拓扑相比),得到高达94%的效率,同时通过减少电压瞬变实现低EMI的目的。

在液晶电视方面,迄今为止还没有一个真正的电源标准化要求。一个设计和另一个设计的电源输出电压和负载条件可能相去甚远,从至少3个输出到11个输出电压通道应有尽有。为了得到最佳的性能和成本结构,可以采用多转换器和拓扑的设计方法。流行的解决方案是采用ST L6598 IC及其半桥梁谐振拓扑,利用其不同于传统回扫或准谐振设计的最关键的3个通道(平板背光照明/音频/调谐器)的简单反馈控制网络实现完美的调节功能。其余的低功率转换器和待机部分可以由ST L6566准谐振IC或VIPer22(带有集成的功率MOS的PWM控制器)分别实现。智能切换调节器和DC-DC驱动器,例如ST L4973x和L6732同步降压控制器,可以在高达500kHz条件下工作,如果大功率输出通道多于3个,这也是一种实际的选择。

给每个半导体元件提供有效而精确的低电压的最好方法是使用ST的高效率降压DC-DC调节器,例如具有高达1.5MHz切换频率的L497x、L597x和ST1S0x系列。这样既可以实现快速瞬态响应,有助于减少磁芯的尺寸,又能够在得到最佳效率的同时实现电子停机,以节省待机功耗,符合节能方面的要求。

总结

综上所述,ST是一家能够提供创建解决方案的参考设计和全部半导体元件的供应商,正在全面支持中国的节能战略计划,这对制造商的生产安全和系统集成,以及缩短产品上市时间是非常有用的。通过符合工效学的PC图形用户界面的演示板、应用笔记、分布广泛的应用工程设计队伍和分销网络,可以有效地支持中国的电子研究与开发工程师、采购管理人员和公司,帮助他们实现开发出具有节能省电功能的绿色电子产品的目标。

 

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