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導通/切換損失雙降 切換式電源待機功耗再進化

隨著全球暖化日益嚴重與節能減碳呼聲高漲之際,人們也從開發新能源以及提高能源使用效率方面來著手因應,相關之節能法規也應運而生,例如能源之星認證項目、歐盟節能化設計指令,制定各式產品能源效率標準,表1為歐盟委員會所制定在不同輸出功率與方式之空載功率損耗規範。電子設備製造商發展的節能產品,必須遵循國際認證標準,促使電子產品朝向更節能的方向發展,如此也是提高能源利用效率的有效途徑。 對於電子產品電源設計的要求,除了滿足符合各個額定負載效率標準之外,空載與待機功耗也顯得益發重要,因為許多的用電設備大部分時間都工作在極輕載或待機狀態,例如:電視、個人電腦及螢幕等應用,若是每一個電子裝置的待機功率可以省下0.1~0.5W,這些閒置裝置就可以省下相當於數十個發電廠的每年發電量。 本文將探討如何降低切換式電源(Switching Mode Power Supply)的待機功耗,最後並舉一實際設計案例解說。 如何降低待機功耗 所謂待機功耗是指電子裝置在關閉時或處於待機模式時消耗的電能,或是處於最低功率模式下所使用的功率。一般電子裝置的輔助電源最常用的是返馳式拓樸架構,如何降低電子裝置的待機功耗,最有效的方式就是減少其在待機時的導通與切換損失。 在導通損失方面: 1.適當設計輸入端的共模電感的線徑與匝數,在抑制共模雜訊時,可以同時兼顧到將共模電感的導通損失降到最低。 2.選擇適當熱敏電阻的阻值,以避免其內阻的導通損耗。 3.於設計規格中的啟動時間之內,選擇合適的啟動電阻值,或者是選用內建啟動單元的IC。 4.有些控制器雖然在待機時降低切換頻率,來減少切換損耗,但是變壓器線組的導通損耗仍然不可忽視,線圈的圈數與線徑之適當選擇,對於線圈的線阻損失可以有效降低。 5.一次側Vcc輔助繞組的圈數與線路,適當地設計於各種負載條件之下,除了提供穩定正常工作的Vcc,並且能夠將Vcc輔助繞組線路的導通損耗降至最低,若是Vcc不足時,IC會進入反覆啟動狀態,頻繁的需要高壓給Vcc電容充電,造成啟動電路損耗。 6.其次,二次側回授控制線路TL431周遭的電阻,適當地設計在使整個控制線路正常工作之下,將偏壓與分壓線路的電流損失降低,並且選擇高CTR的光耦合器。 7.選擇低耗電TL431其typical IKA為50uA如表2(a)所示,與一般TL431其typical IAK為0.4mA如表2(b)所示,兩者的耗電就差了8倍,藉由使用低耗電之TL431,將圖1之R23電阻放大可以減少二次側TL431損耗。 8.在切換損失方面,RCD在緩衝(Snubber)電路中,可以使用齊納二極體來取代RC。 9.變壓器的層間雜散電容會造成額外的切換損失,可以在層與層之間加絕緣膠帶來降低層間的電容效應。 10.減少一次側回授訊號腳位的並聯電容值。 11.選擇使用雜散電容與Qg較小的MOSFET。 12.加大輸出電容以增加維持時間,拉大叢發模式(Burst Mode)的週期時間,以減少叢發的切換次數,以上所建議的方法總結於圖1所示。 除了外部零件值的調整之外,在控制器本身方面,對於降低輕載功耗,常見的方法為降低切換頻率、關斷時間調制(Off Time Modulation),以及叢發模式。另外,盡量選擇靜態電流較小的IC,因為這對於大多數時間處於休眠模式或低功耗模式的應用尤其重要。 電源設計範例解說 本文以一個120W電視電源演示板為設計範例解說,電路板之主要控制IC為IDP2308,此IC為一結合PFC與LLC的整合式數位控制器,具有內建的啟動單元 (600V Start Up Cell),當Vcc電壓建立到一定的準位後,此一啟動單元會關斷啟動迴路,避免啟動電阻的導通損耗,此外,啟動單元迴路兼具X-cap放電功能,以省掉外接型IC的功率損耗,如圖2所示。 另外,在輕或空載時,控制器會進入叢發模式,以降低切換損失,由於IDP2308是數位IC,具有提供使用者彈性設計的便利性,使用者可以經由參數的調整來優化整體電路的行為,達到所需要符合的規範,演示板線路如圖3所示;演示板規格如下表3所示: 如圖4所示,以下詳細解說IDP2308在叢發模式時的動作行為,當進入待機模式時,主要監控HBFB腳位的電壓準位,來決定叢發模式的運作,當HBFB的電壓上升至Vburst_on,IC會被喚醒而啟動叢發的切換,在LLC完成一個完整的叢發切換,IC就會停止切換然後進入睡眠模式以節省功率損耗。影響待機功耗的主要參數列於表4,其中有叢發模式中的啟動頻率、切換頻率、結束頻率、PFC Bulk電壓以及軟啟動與軟結束的階數多寡。 使用者可以自行調整在LLC之叢發模式中的三個部份: 1.設定較高的啟動切換頻率,預設值為200KHz,軟啟動設定為4階,每32us降一階,目的是減少每一叢發模式控制的啟動突衝電流,降低功率損耗,同時可以抑制異音雜訊。 2.其次設定一較低的切換頻率,預設值為130KHz,以達到最低待機功率與維持二次側輸出電壓的穩定。 3.最後再採用較高的結束切換頻率,預設值為200KHz,軟結束設定為4階,每32us升一階,用於達到抑制異音雜訊。在PFC方面,可以經由參數設定降低PFC bulk的工作電壓準位,來減少切換損耗。 除了參數的設定之外,外部零件值的調整,例如:LLC變壓器的主感Lp、LLC Bootstrap電容及諧振電容的材料,也會對異音與待機功耗有所影響。 經由以上的參數設定與外部零件調整,可以降低叢發模式時LLC的諧振電流,如圖5所示,最後的實驗結果,除了能夠符合小於0.3W待機功耗規範,並且達到極低異音的要求標準,以及維持系統輸出電壓穩定的設計目標。 數位控制器提高操作效率 本文介紹了電子設備電源的待機功耗及其規範,詳細剖析建議的解決設計方案,並且探討實際設計案例,除了一般使用者常用的對策,例如外部零件的調整與選用等方式之外,藉由數位控制器的參數設定調整也是解決之道之一。 一個好的電源設計,除了提供基本電子設備正常的運作之外,也可以減少系統的功率損耗,提高整體操作效率,另外,透過採用合適的數位控制器來做設計,進而減少外部元件的使用數量,節省整體系統的物料成本。 (本文作者為台灣英飛凌科技首席工程師)
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建置成本/節能利用最佳化 資料中心功秏/效率錙銖必較

然而,最終用戶要著眼大局,更關心整個系統或製程在遵守環境義務的同時,能夠盈利的效率。他們明白,倘若所有生命週期成本都計入其中,在功率轉換過程的一個小要素,即便非常專注於降低其損耗並不一定會導致明顯整體成本節省或環境效益。 另一層面,將更多電源轉換裝置整合到更小體積(增大其「功率密度」),可以更高效地利用工廠或資料中心的占地面積,並利用現有資源和成本實現更多產出。 本文將研究相較增大功率密度和提高系統效率,提高功率密度百分點在節能、購置/處置成本和機櫃/占地面積利用率等層面的實際成本。 製造商藉提高效率 降低營運壓力 在功率電子的世界,效率是一個容易概念化的術語,100%效率為好,而0%為壞。但是,讀者必須仔細設置自身的參考基準。資料中心整體電氣效率接近0%,從電網提取的所有功率幾乎都轉換為伺服器葉片、電源和冷卻系統中電子元件中的熱量。然後,將電力的美金價值轉換為美金收入可能是1,000%的效率,大多數行業都是如此,這是所有人的期望,否則,如果讀者想節省成本和挽救地球,同時也要賺錢,真正問題是如何最小化總功耗,同時以最大限度提高生產力。 資料中心管理者完全知曉這些,他們需要面對日常壓力來提高資料處理能力和速度,同時保持盡可能低電費,並從資本投資中獲得回報。他們別無選擇,只能以增加數千瓦的功率耗散來添加伺服器,但可以演算容量增大帶來的附加價值抵消額外能源和資本成本。在工業領域,如果需要另一台100kW馬達,並用於生產更多可銷售產出,馬達驅動及其電源則是不可迴避之開銷。在所有產業中,電源是一種必須的罪惡之物,本身不會增加商業價值,其耗費的營運成本和功率都被視為降低了利潤。因此,焦點自然而然地會將注意力轉向功率電子製造商,他們需要承擔透過提高電氣效率來減少損耗的壓力。 拓撲架構重新設計以實現零損耗 功率轉換效率似乎很容易定義,人們都可以引用公式「輸出功率除輸入功率之百分比」,兩者之間差值為功率轉換器消散的熱量。問題是,如果不涉及功率水準,以及它們如何隨操作和環境條件而變化,而將效率作為轉換器比較參數,此時效率沒有任何意義。往往這會導致一些「創造性」規格,挑選出其中亮點,以展現裝置最好的部分。很少有轉換器在接近其最大額定功率時操作,因此效率通常設定為在最大額定負載50~75%左右達到峰值,並且某些曲線必須在零負載時降至零效率。在輕負載時轉換器設計可能存在高不確定性,因此在待機條件下電源功耗可能會比其他電源多一倍(圖1)。負載為5%時,A線表示轉換器功耗是B線的三倍以上,因此輕負載功耗對總能量消耗有顯著影響。 圖1 輕載時效率在同類功率轉換器之間差異很大 幸運的是,業內有一些標準可以用來規定效率曲線形狀,例如具有不同級別的「80 PLUS計畫」中,「鈦」級為最高,要求在50%負載時具備最低94%效率,在10%負載時最低90%效率,這些是用於115V系統的效率,對於230V系統,上述參數分別是96%和90%(圖2)。 圖2 80-PLUS計畫的效率目標—115V系統 這些限制很難實現。在2004年構想80 PLUS認證計畫時,在50%負載下實現最低水準80%效率已經足夠困難,但是要達到94%的鈦級則意謂著需要減少電源四分之三的損耗。效率僅提高14%,而額定功率為千瓦級的電源必須將損耗從250W降低到64W,這不能透過對現有設計進行微調來實現,因此必須對轉換器拓撲架構進行徹底重新考量。不再使用傳統二極體,轉而採用同步驅動MOSFET,相移全橋和LLC諧振拓撲架構等技術都被用來限制開關轉換期間的損耗,並且出現諸如SiC和GaN等全新半導體技術,以實現更快的開關速度但不會造成功耗損失。即便是不在市電的低階橋式整流器也已經演變成MOSFET的混合布置,這構成功率因數校正電路必要的部分。這些都需要一定成本,也有採用新技術帶來的風險。即便如此,從供需角度看,客戶和電源製造商要求在螺旋式上升,以實現更高效率,達到99%甚至更高。 追求高效率而降損耗所費不貲 隨著功率轉換效率接近100%,提高效率的難度成倍增加。從97%到98%意謂著損耗減少了三分之一,從98%到99%意謂著將損耗減少一半。在任何轉換器設計中,將損耗降低50%可能會要求設計從頭重新開始,使用更複雜的技術和更昂貴的元件是唯一途徑,而這通常是以犧牲尺寸為代價。1kW電源效率為98%時,僅消耗20.4W功率(圖3)。而要花費多少努力才能使損耗達到10.1W,使效率提高到99%?考量一下1kW的負載,將效率提高1%僅僅可以節省10.1W,但這需要多少設計工作量? 圖3 1kW功率轉換器中的損耗與效率 當然,所有節能都值得珍惜,但是更需要放寬眼界。在美國,工業用電平均價格約為每千瓦小時7美分。如果以1kW電源壽命為例,在100%正常執行時間下可操作5年或大約44,000小時,減少10.1W損耗可以節省大約31美元,而負載功率的成本超過3,100美元。更換電源會導致擁有成本、購買和鑑定費用、安裝成本以及通常與數百個元件、包裝和運輸相關的碳足跡。然後是舊裝置的處置成本,以及新尖端產品的功能風險。假設上一代電源可靠性仍然足夠,那麼與保留舊產品相較,很難看出這些相關成本與31美元的節省相比如何抵消。單純為了效率參數而追求更高效率可能是一項成本高昂的事情。 裝置縮小尺寸提高功率密度 為了降低內部溫度並提高演算的壽命/可靠性,也許有必要提高功率轉換器效率,但這僅在外殼和冷卻保持不變情況下才有效。有一個古老的經驗法則,即電子元件溫度每升高10℃,其壽命就會縮短兩倍。而依據可靠性手冊,在溫度升高10℃時,半導體元件失效率將增加約25%,電容器失效率將增加約50%。但是現代電子產品極其可靠且經久耐用,因此這些都是相對於非常長使用壽命和高可靠性而言的百分比變化。例如,從歷史上講,功率電子裝置的冷卻設置目標,是將資料中心入口處的理想溫度保持在21℃左右,但是英特爾(Intel)和其他公司的研究表明,該溫度可以適當提高,但不會顯著影響系統可靠性。APC的一項報告引用了美國供熱和空調工程師協會(ASHRAE)的預測,當入口溫度從20℃升高至32℃(68℉至90℉)時,總體裝置故障率僅增加1.5倍(圖4)。據稱,資料中心額定操作溫度每升高1℉,就可以將相關冷卻成本降低約4%,因此減小主機殼尺寸,允許包括電源在內的裝置在更高溫度下操作,可以真正節省成本,同時還可以釋放機架空間。 圖4 裝置可靠性與入口溫度關係 使較小電源在更高溫度下操作的另一推動因素,是採用以SiC或GaN材料製成的寬能隙半導體。這些元件操作溫度額定值比矽元件高很多,特別是對於SiC,允許裸晶在高達數百℃溫度下操作。 功率轉換各方紛尋最佳解 功率轉換裝置供應商可能會以特定條件下的效率規格來互相競爭,但對最終用戶而言,重要的是其製程的生產率和盈利能力。當然,籍由減少能源消耗來節省成本是一件好事情,但是透過增加機櫃中或機架上裝置功率密度,並提高每單位體積的生產率而獲得成本節省可能更具吸引力。資料中心和製造設施中的地板空間具有「美元密度」,這是為貢獻一定收入所必須達到的貨幣價值,以千美元/平方英尺為度量,因此縮小電子裝置尺寸以提供更多生產空間是實際收益。如果這意謂著在生產需要擴展時提供完整的額外機櫃,則實現的短期和長期資金節省更多。 仰仗相關的功率轉換器可實現電子裝置更高功率密度,這些促使系統架構師將功率密度視為越來越重要的指標。但是,與端到端產品電氣效率不同,整個系統的功率密度不易比較,需要包括哪些內容?在典型工業機櫃中,可能有開關裝置、連接器、安裝在主機殼底座的EMI濾波器、生成中間電壓的AC-DC轉換器、大電流匯流排、負載本地處的DC-DC轉換器、風扇及其自身電源和安裝硬體,有時甚至可能包括空調裝置。在控制機櫃中,負載可能是獨立式,也可能是馬達,在這種狀況下,功率轉換裝置體積占整個空間很大一部分,任何空間尺寸的節省都意謂著可以容納更多控制電子裝置。但是,這樣回報會減少,因為添加額外裝置總會需要更多功率。控制櫃還可能受限於使用標準化硬體,如用於裝置安裝的DIN導軌,供應商推出了越來越窄小的產品,而輸入/輸出連接器尺寸的實際應用通常定義了其最小值。現在30W AC-DC寬度已減小到21mm左右,而480W裝置寬度大約為48mm(寬)×124mm(高)。機櫃中如果包括冷卻系統,其中可能包括一系列風扇,由於入口溫度不能確定,因此功率轉換器的額定溫度通常設為在高溫氣流下操作,且沒有主機殼散熱設置。這導致功率轉換密度值相對較低,每立方英寸可能為10到20W。 POL實現資料中心電源高功率轉換 在資料中心中,功率分配系統體系架構會嚴重影響功率密度。最新趨勢是透過每個伺服器刀鋒上的負載點(POL)轉換器提供48V背板匯流排,將電壓降低至IC電平,通常低於1V。分開來看,POL可以具有令人吃驚的功率密度,每立方英寸超過1kW,但需要大量散熱片或冷卻氣流才能正常操作。48V匯流排可以來自機架AC-DC轉換器,其功率密度可能僅為每立方英寸20W左右。或者可以從外部中央電源提供380V DC,並在機架中轉換為48V。具備直流電源後,不再有交流整流和功率因數校正電路損耗,該轉換器可以達到非常高的效率,並且每立方英寸功率密度再次超過1kW(需要足夠冷卻能力)。另一個優勢是,與每個機架中的AC-DC不同,能量可以集中儲存並用於電源損耗或電力不足,而AC-DC具有很大的內部儲能電容器,占用了寶貴空間。 與工業製造中機櫃不同,資料中心負載實際是刀鋒伺服器本身,因此每個機架內部消耗功率均超過10kW。倘若要求嚴格控制的高速氣流進行主動冷卻,並保持較低入口溫度,這對於功率轉換器來說是個好消息,而由於其效率很高,僅消耗了刀鋒伺服器一部分的功率,允許使用具備最少量外部散熱(如果需要)的POL和匯流排轉換器,進而保持較高的總功率密度。實際上,使刀鋒伺服器產生的熱量遠離功率轉換器成為一個主要的考量因素。 寬能隙技術提高功率密度 功率轉換器設計人員可以透過降低開關速度來提高效率,但這會導致必須採用過大被動元件,進而使機殼尺寸變大。複雜諧振轉換器拓撲允許更高運作頻率,實現低損耗,而SiC和GaN半導體元件的到來又結合了高速度和低損耗,再次改變了遊戲規則。它們在較高溫度下可靠的操作能力可以使轉換器封裝尺寸進一步減小,進而實現更高功率密度。 追逐功率轉換效率百分點是一場收益越來越小的遊戲,除非這種改進能夠導致更小產品尺寸,進而能夠為直接增加利潤的裝置留出空間。功率密度是轉換器一個很好參數,但是應該仔細比較,並包括系統中所有元素,可以預期,製造產業中機櫃和資料中心伺服器機架之間的功率密度差異會很大。 (本文作者任職於貿澤電子)
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