功率管理突破功率的限制

2005年11月10日梅享安

飞兆半导体

技术和应用支持中心高级总监

2

中国的能源问题

根据美国地球政策研究所的信息，中国是世界主要的能源消耗国

中国在过去几年出现显著的经济增长，然而，中国在维持社会能源供给方面也面对巨大的挑战

由于能源受限，中国的许多地区发生了断电现象

半导体工业在功率管理领域取得巨大进展，能够帮助中国等国家应对能源挑战

截止2003年底，中国拥有3.8亿千瓦的电力装机容量，这个数值预计到2005年底增长至4.5亿千瓦以上，2010年为6.5亿千瓦，2020年则达9.5亿千瓦

中国国家发改委能源局领导徐锭明指出，能源效率低仍是中国面临的重要问题，因其总体能效仅为33%，较发达国家低10%。而中国每单位产值的能源消耗是发达国家的两倍

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石油价格攀升

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国际能源机构 (IEA) 建议

全球范围－ 1 瓦倡议－待机功耗低于 1W欧盟－提议充 电器的待机功耗低于 0.1W , 现遵从IEA 0.3W 建议日本－通产省 (MITI) 没有明确的计划名称，待机功耗均需低于 1W，充电器则低于 0.1W中国－ 3C 规范－ 针对谐波(Harmonic)和 EMC

－彩电绿色电源低于 3W

节电和提高能源应用效率是大势所趋

Rated Input Power Phase 1, January 2001 Phase 2, January 2003 Phase 3, January 2005> 0.3W and < 15W 1.0W 0.75W 0.30W≥ 15W and < 50W 1.0W 0.75W 0.50W≥ 50W and < 75W 1.0W 0.75W 0.75W

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节电和提高能源应用效率的解决方案

绿色 FPS (飞兆功率开关)

绿色 FPSTM适用于低待机功耗应用，能够满足低于 1W 功耗标准(能源之星标准）

SPM (智能功率模块)

逆变器控制可调速驱动，用于变频家用电器的三相感应马达

PFC (功率因子校正)

PFC可以实现最大效率的功率配送

功耗比较

视在功率（电力线需要储备的功率）

实际功率（实际消耗的功率）

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Control IC

+++

+

Fairchild Power Switch

SnubberCircuit

Load

FeedbackCircuit

飞兆半导体的 FPS 产品综合了脉宽调制 (PWM)IC 和 SenseFET，适用于多种离线式开关电源 (SMPS) 应用，从彩色电视机、显示器、机顶盒以及笔记本电脑适配器，以至手持式电池供电产品，如 PDA 和移动电话。

绿色 FPS 适用于低待机功耗应用，能够满足低于 1W 功耗标准 (能源之星标准) 。

FPS 解决方案概述

7

ZD101

OPT101

5QSERIES

T101

BEAD101

D103

R106

R105 C105C104

C109OPT101OPT101

C103

D202

C205C202 C201

BEAD201

D203

C206C214 C215

BEAD202

R203

R107

D106

D207 BEAD204

C210 C211

BEAD203D205

C207

C208 C209

D210

C221C216

C219

BEAD205

C206

C102

R205

VR201

R201

OPT101

R204

C203Q201

R206

C108 C213

OPT101

AQ102

APHOTO301

AQ103

AR106

AR107

AR108

AR109

AR110 C107

C101

BD101RT101fuse

LF101C112

C114

AT101EE1916

AC201

AC101 AR101

AD101

AD102 AR102

AD201

AC103

AC102

AIC101

FSDH565

AR103

AR105

AQ101

AZD101

KA78M05

5V:MCU

AR104

AC202

AIC201

APHOTO301PC817A

AR202

AR201

1

2

3

Stand-by

200+

60

采用 FPS解决方案将彩色电视机的电源部件数量从 200个减少为 60个

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VBURSTH

Switching OFF

Current waveform

Burst Operation

Normal OperationFeedback

VBURSTL

Switching OFF

§ 在待机模式下，输出消耗的负载电流极少，甚至没有

§ 输出电压上升导致反馈电压下降

§ 如果反馈电压降到VBURSTL阈值以下，FPS 的开关运作便会停止，大幅节省功率§ 根据负载电流的不同，输出电压最终会下降，导致反馈电压上升

§ 一旦反馈电压超过VBURSTH阈值，开关操作便会重新开始

待机功耗

9

脉冲运作 @ 85Vac,

脉冲运作 @ 265Vac,

待机 开机

待机 开机

待机功耗

10

§一台普通电视机每年的待机功耗为: 32.94 kW§采用绿色 FPS的电视机每年的待机功耗为: 7.3 kW§采用飞兆半导体元件，每台电视机每年可以节省: 25.64 kW

§如果 2004年全球销售的每台电视机都能节省 25.64 kW，那么每年大约可节省 4.28 TW ，足以满足数百万个家庭的电能需求

待机功耗－系统比较

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变频家用电器和主要制造商

12

智能功率模块 (SPM)

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SPM 有助于简化逆变器设计

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什么是功率因子 (Power Factor)

视在功率= 电源 “看见的”功率= 必须为供应电路的功率

实际功率= 实际消耗的功率

功率损耗 = 视在功率 –实际功率

功率因子 (PF) = 实际消耗的功率 / 视在功率

电压和电流波形均为正弦波形，并且同相，PF = 1

对于无 PFC 的 SMPS，电压波形为正弦波形，电流波形为非正弦波形，但是同相，PF <1, 通常约为 0.65

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采用 SMPS实现功率节省

待机功率

功率因子校正

16

输入电容是 PF降低的主要原因，这会引起电流尖峰

PWM Controller

Optocoupler

VDC OUT

VAC IN

输入电容

Real Power2W

θ

Real Power3W

Rea

ctiv

e

Rea

ctiv

e

PF = 0.6 PF = 1.0

浅蓝色 = 电压红色 = 电流

浅蓝色 = 电压红色 = 电流

功率因子校正 (PFC)

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PWM Controller

Optocoupler

VDC OUT

VAC IN

PFC Controller

PFC 电路

就如功率开关，PFC控制器和开关使电压呈脉冲变化，这在模拟电压曲线的每个电压脉冲中引起电流峰值，并迫使电流跟随电压变化

电压

电流

功率因子校正 (PFC) 解决方案飞兆半导体PFC 控制器

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功率因子校正 (PFC) －系统比较

PWM Controller

Optocoupler

VDCOUT

VACIN

PWM Controller

Optocoupler

VDCOUT

VACIN

PWM Controller

Optocoupler

VDCOUT

VACIN

PFCController PWM

Controller

Optocoupler

VDCOUT

VACIN

PFCController

不采用 PFC 采用 PFC

效率 = 0.75

Vrms = 120VIrms = 12.8A Pout = 750W

Vrms = 120VIrms = 8.77A Pout = 750W

效率 = 0.75

θ

PF = 0.65

θ

PF = 0.95

输入功率 = 1,536W 输入功率 = 1,143W节省392.4W

唯一不同的是 PF

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PFC 有助于提高功效

视在功率 实际功率

不带 PFC 461W 300W(PF=0.65)

带有 PFC 306W 300W(PF=0.98)

功率损耗 = 视在功率 –实际功率

节省 50% 的功率!!!

对于300WSMPS，功率因子通常为 0.65

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PFC目标应用

应用 服务器> 500W

等离子显示器> 400W

PC 电源200 -400W

低功率电源

< 200W

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采用飞兆半导体解决方案节省电能

Utility Unit in China (Mu)

Stdby power without Green FPS (W)

Stdby power with Green FPS (W)

Engery saving (W) Idle time (hr)

Power saving in a Year (KWh)

CTV 300 15 3 12 20 26,280,000,000

Cellphone Charger 300 0.4 0.1 0.3 23 755,550,000

Set Top Box 21 4 1 3 20 459,900,000

VCD/DVD player 60 4 1 3 20 1,314,000,000

28,809,450,000Source: Cheaa.com, Aug 2004; China Daily, May 2004; IMS Research, Mar 2004

Utility

Energy saving of Invetrer over Constant Speed

Total Power consumed in 2003 (KWh)

Power saving in a Year (KWh)

Air - Cond (Household) 40% 70,000,000,000 28,000,000,000

Source: China Daily, Aug 2004

KWh

Engery Saving by Green FPS+SPM

Total China Power consumption in year 2003 1,884,000,000,000

3.0%

Based on RMB 0.61 per KWh这部分节省并未计入 PFC改善功率配送带来的50% 功效提升

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总结

§ 中国的能源限制– 2003年上半年，中国的电能消耗是 861.7 亿千瓦小时，比 2002 年同期增长 15.43%

§ 政府法规关注开关模式电源– Blue Angel & IEA 1 瓦倡议

§ 采用功率因子校正 (PFC)– 功率因子校正控制器

§ 减少待机功耗– 脉冲模式运作，例如绿色FPS™

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补充信息

有关电视机的绿色节电信息§ 一台普通电视机每年的待机功耗为: 32.94 kW§ 采用飞兆半导体满足能源之星®“ 1瓦倡议”的绿色 FPS 产品的电视机每年的待机功耗为: 7.3 kW§ 采用飞兆半导体元件，每台电视机每年可节省: 25.64 kW------------------------------------------------------------------------------------------------------------假设:§ 每台电视机每月平均使用 120 个小时§ 每个月有 730 个小时§ 每台电视机的平均待机功率约为每小时 4.5 瓦(美国)§ 730 – 120 = 610，每台电视机每月有 610 小时处于待机状态§ 全球每年销售的电视机约有 167,193,000 台 (*iSuppliQ42004)

计算:§ 每月 610 小时 X 每小时 4.5 瓦 = 每月2.7 千瓦或每年 32.94 千瓦§ 采用满足能源之星®“ 1瓦倡议“的飞兆半导体绿色 FPS 产品§ 每月 610 小时 X 每小时 1 瓦 = 每月 0.610 千瓦或每年 7.3 千瓦§ 32.94千瓦 – 7.3 千瓦 = 每年 25.64 千瓦§ 167,193,000 台X 每年 25.6 千瓦 = 每年 4.28 兆兆瓦

信息来源:Public Service of New Hampshirehttp://www.psnh.com/Residential/ReduceBill/Applianceusage.asp

Lawrence Berkeley National LaboratoryEnvironmental Energy Technologies Divisionhttp://eetd.lbl.gov/ea/reports/42393/ExecutiveSummary.html

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补充信息

信息来源: Compiled by Earth Policy Institute , February 2005, from USDA, IFA, DOE, BP, IISI, ITU, UN, and Ward's.

(1) 2004 年数据 (2) 2003 年数据 (3) 2000 年数据 (4) 2001年数据 (5) 2002 年数据

22624百万辆 (使用中)汽车 (2)

19036百万台 (使用中)PC (5)

1214百万台 (生产)冰箱 (4)

243374百万台(使用中)电视机 (3)

159269百万部 (使用中)手机 (2)

2040百万吨肥料 (2)

104258百万吨钢铁 (2)

574800百万吨燃油代替品煤 (2)

207每日百万桶油 (1)

3763百万吨肉类 (1)

278382百万吨谷类 (1)

美国中国单位商品 有关电脑的绿色节电信息§ 普通电脑 + 显示器每年耗用 394 千瓦时

计算:§ 394 千瓦时 X 3600 万台 = 每年 14.2 兆兆瓦时

信息来源:Efficiencies: MotorMaster. United States Department of Energyhttp://www.eere.energy.gov/consumerinfo/factsheets/ec7.html