滿足能源之星的機(jī)頂盒供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

美國(guó)政府從2009年開始電視廣播由模擬轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)。對(duì)于不收看付費(fèi)電視的消費(fèi)者則需要一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換盒才能接收到電視節(jié)目。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有85～90％的美國(guó)家庭收看付費(fèi)電視，但仍有約7800萬(wàn)臺(tái)電視接收的是模擬信號(hào)。

　　美國(guó)環(huán)保署評(píng)估電視機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換盒每年估計(jì)要消耗30億千瓦,如果數(shù)模轉(zhuǎn)換盒滿足能源之星的要求，將會(huì)節(jié)約大約130億千瓦。把無(wú)線傳播的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電視機(jī)可接受的信號(hào)的設(shè)備，即所謂DTA。DTA既不包括通過(guò)衛(wèi)星或電纜傳播信號(hào)的轉(zhuǎn)換器也不是類似DVD播放機(jī)等具有數(shù)模轉(zhuǎn)化能力的電器。

　　DTA要求的能源之星的標(biāo)準(zhǔn)如表格1，要求休眠模式下的功耗最多不超過(guò)1瓦，正常工作時(shí)的最高輸入功率不能超過(guò)8W。一般系統(tǒng)需提供4組以上高精度的供電電壓給天線、主芯片、存儲(chǔ)器、音頻和調(diào)諧器等部分供電。為了滿足這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，必須在不同的輸出電壓的情況下保證電源的高效率。為了適應(yīng)市場(chǎng)的要求，在高性能的前提下必須考慮供電系統(tǒng)的成本問(wèn)題。

正常工作模式

　　表1有兩個(gè)狀態(tài)的功耗要求，一個(gè)是正常工作功耗，另一個(gè)是待機(jī)功耗。下面將分別闡述怎么達(dá)到這些要求。

　　首先考慮在正常工作狀態(tài)下的要求。用戶可以根據(jù)自己系統(tǒng)的損耗不同而選擇不同的電源拓?fù)渚€路。如果系統(tǒng)自己功耗已經(jīng)達(dá)到6W，實(shí)現(xiàn)8W以下的能源之星標(biāo)準(zhǔn)就必須使效率達(dá)到75%以上，最簡(jiǎn)單的低成本線路要滿足效率達(dá)到75%以上的交直轉(zhuǎn)換的開關(guān)電源一般是不現(xiàn)實(shí)的。為了提高效率，使用同步整流線路是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。圖1線路是一種簡(jiǎn)單的同步整流線路，使用同步整流的方式一般可以使效率達(dá)到80%。圖2線路是一種最簡(jiǎn)單的非同步整流線路。

1． 同步整流的工作原理

　　同步線路比非同步線路最大的損耗減少來(lái)源于MOSFET的導(dǎo)通壓降損耗替代肖特基二極管的導(dǎo)通損耗。在次級(jí)側(cè)控制的隔離開關(guān)電源同步整流拓?fù)渲校ㄟ^(guò)從變壓器次級(jí)輸出獲得有關(guān)控制信號(hào)來(lái)作為同步整流的觸發(fā)信號(hào)，在不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)狀態(tài)下，控制次級(jí)的同步整流MOSFET的工作，而進(jìn)行同步整流操作。

圖1：次級(jí)同步整流線路。

圖2：普通肖特基整流線路。

2． 提供多組電壓的方法

　　系統(tǒng)要求至少4組以上的不同輸出電壓。對(duì)于一般的低電流要求，可以使用一般的線性降壓器件，但對(duì)于要求功率大、效率高的就必須合理搭配和選擇合適的直流轉(zhuǎn)換線路。例如：系統(tǒng)的天線線路部分需12V供電；音頻和調(diào)諧器需5V供電；存儲(chǔ)器需2.6V供電；主芯片需3.3V和1.8V供電，而1.8V的電流要求達(dá)到1.7A左右，這樣如果直接使用12V轉(zhuǎn)換成下列的各種電壓，對(duì)于直流轉(zhuǎn)換控制芯片在成本和效率上是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)，所以一般取主開關(guān)電源輸出為5V，然后通過(guò)升壓和降壓來(lái)合理分配各個(gè)輸出。

　　圖3和圖4是一種推薦的線路，圖3是升壓線路，可以把5V電壓高效率升到12V給天線部分供電，采用的是安森美半導(dǎo)體提供的NCP3063。通過(guò)控制3腳來(lái)達(dá)到“ON”或“OFF”的功能。圖4是降壓線路，采用的是安森美半導(dǎo)體提供的NCP1595A，5V的電壓轉(zhuǎn)換成1.8V或3.3V，此線路的效率高達(dá)95%，提供高達(dá)1.7A的電流，而且具有過(guò)壓過(guò)流保護(hù)功能。通過(guò)控制6腳可以控制線路的“ON”或“OFF”的功能。達(dá)到在待機(jī)的時(shí)候關(guān)閉線路，滿足能源之星的要求。

圖3：DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換線路。 [!--empirenews.page--]

圖4：DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換線路。

圖5為一款滿足能源之星DTA供電系統(tǒng)的方框圖。需要注意的是如果使用開關(guān)電源直接輸出多組，外觀上可能可以節(jié)省成本，但除了很難滿足能源之星的要求外，因多組輸出在精度控制，紋波和交叉調(diào)整率上有很大的變化，這樣就對(duì)主芯片、音頻和調(diào)諧器來(lái)說(shuō)帶來(lái)極大的考驗(yàn)，對(duì)開發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品通過(guò)美國(guó)NTIA的測(cè)試也帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)和麻煩，可能收到得不償失的效果。

圖5：一款系統(tǒng)供電系統(tǒng)示意圖。

待機(jī)模式的控制線路設(shè)計(jì)

　　在高效率的同步整流和DC-DC轉(zhuǎn)換條件下，能滿足正常工作下的能源之星要求。但為了滿足待機(jī)模式下的功率要求，必須讓所有不必要的線路停止工作，除了控制上述直流轉(zhuǎn)換的端口外。圖6為一種P-Mos的待機(jī)關(guān)斷線路，系統(tǒng)主芯片能給出相關(guān)的關(guān)閉控制信號(hào)，簡(jiǎn)單地達(dá)到待機(jī)關(guān)閉的功能。

圖6：待機(jī)模式下的控制線路。

　　有些使用在DTA上的系統(tǒng)級(jí)芯片(如TI和AMD等)必須通過(guò)一個(gè)待機(jī)MCU給出喚醒和待機(jī)控制信號(hào)，才能達(dá)到能源之星的要求。如果使用MCU做待機(jī)處理，為了達(dá)到性價(jià)比的合理搭配，可以在供電系統(tǒng)上使用開關(guān)電源多組輸出電壓線路，這樣就減少大功率DC-DC轉(zhuǎn)換IC的使用，減少因增加了一個(gè)MCU所帶來(lái)的成本差別，達(dá)到合理的成本均衡。

圖7：MCU控制待機(jī)的低成本的DTA開關(guān)電源線路。  [!--empirenews.page--]

低功耗系統(tǒng)的供電設(shè)計(jì)

　　有些DTA系統(tǒng)功耗少于5W，這樣可以使用一個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)電源。如上述圖2是一種最簡(jiǎn)單的交直轉(zhuǎn)換開關(guān)電源輸出12V，在系統(tǒng)待機(jī)時(shí)提供35mA的電流，效率能高達(dá)53%，完全滿足待機(jī)1W的能源之星要求。輸出12V后通過(guò)DC-DC(圖8)和使用LDO(圖9)進(jìn)行分壓給系統(tǒng)的不同部分供電。不過(guò)需要注意的是一般DC-DC芯片12V系列比5V系列貴，如果能通過(guò)5V轉(zhuǎn)換是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

圖8：DTA簡(jiǎn)單的DC-DC轉(zhuǎn)換線路。

圖9：降壓LDO線路。

本文小結(jié)

　　為了設(shè)計(jì)滿足能源之星要求的DTA，我們必須先了解整個(gè)系統(tǒng)的功耗，然后選擇最合適的供電方式，選擇合適的電源拓?fù)?。?duì)于功耗較高的主控制部分，就須選擇高效能的AC-DC或DC-DC轉(zhuǎn)換，如果系統(tǒng)某些部分并沒(méi)有較大的功耗，使用LDO或低功率DC-DC的轉(zhuǎn)換或變壓器的多組輸出來(lái)滿足要求。無(wú)論怎么設(shè)計(jì)成本和性能的最佳比永遠(yuǎn)是評(píng)價(jià)一款產(chǎn)品最重要的指標(biāo)。