滿足能源之星的機頂盒供電系統(tǒng)設(shè)計方案
美國政府從2009年開始電視廣播由模擬轉(zhuǎn)為數(shù)字信號。對于不收看付費電視的消費者則需要一個數(shù)模轉(zhuǎn)換盒才能接收到電視節(jié)目。據(jù)統(tǒng)計,有85~90%的美國家庭收看付費電視,但仍有約7800萬臺電視接收的是模擬信號。
美國環(huán)保署評估電視機數(shù)模轉(zhuǎn)換盒每年估計要消耗30億千瓦,如果數(shù)模轉(zhuǎn)換盒滿足能源之星的要求,將會節(jié)約大約130億千瓦。把無線傳播的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬電視機可接受的信號的設(shè)備,即所謂DTA。DTA既不包括通過衛(wèi)星或電纜傳播信號的轉(zhuǎn)換器也不是類似DVD播放機等具有數(shù)模轉(zhuǎn)化能力的電器。
DTA要求的能源之星的標準如表格1,要求休眠模式下的功耗最多不超過1瓦,正常工作時的最高輸入功率不能超過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、存儲器、音頻和調(diào)諧器等部分供電。為了滿足這個標準,必須在不同的輸出電壓的情況下保證電源的高效率。為了適應市場的要求,在高性能的前提下必須考慮供電系統(tǒng)的成本問題。
正常工作模式
表1有兩個狀態(tài)的功耗要求,一個是正常工作功耗,另一個是待機功耗。下面將分別闡述怎么達到這些要求。
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撲線路。如果系統(tǒng)自己功耗已經(jīng)達到6W,實現(xiàn)8W以下的能源之星標準就必須使效率達到75%以上,最簡單的低成本線路要滿足效率達到75%以上的交直轉(zhuǎn)換的開關(guān)電源一般是不現(xiàn)實的。為了提高效率,使用同步整流線路是一個不錯的選擇。圖1線路是一種簡單的同步整流線路,使用同步整流的方式一般可以使效率達到80%。圖2線路是一種最簡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源于MOSFET的導通壓降損耗替代肖特基二極管的導通損耗。在次級側(cè)控制的隔離開關(guān)電源同步整流拓撲中,通過從變壓器次級輸出獲得有關(guān)控制信號來作為同步整流的觸發(fā)信號,在不連續(xù)導通模式(DCM)狀態(tài)下,控制次級的同步整流MOSFET的工作,而進行同步整流操作。
圖1:次級同步整流線路。
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。對于一般的低電流要求,可以使用一般的線性降壓器件,但對于要求功率大、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,對于直流轉(zhuǎn)換控制芯片在成本和效率上是一個嚴峻的考驗,所以一般取主開關(guān)電源輸出為5V,然后通過升壓和降壓來合理分配各個輸出。
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體提供的NCP3063。通過控制3腳來達到“ON”或“OFF”的功能。圖4是降壓線路,采用的是安森美半導體提供的NCP1595A,5V的電壓轉(zhuǎn)換成1.8V或3.3V,此線路的效率高達95%,提供高達1.7A的電流,而且具有過壓過流保護功能。通過控制6腳可以控制線路的“ON”或“OFF”的功能。達到在待機的時候關(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,這樣就對主芯片、音頻和調(diào)諧器來說帶來極大的考驗,對開發(fā)出來的產(chǎn)品通過美國NTIA的測試也帶來極大的挑戰(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。
待機模式的控制線路設(shè)計
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,簡單地達到待機關(guān)閉的功能。
圖6:待機模式下的控制線路。
有些使用在DTA上的系統(tǒng)級芯片(如TI和AMD等)必須通過一個待機MCU給出喚醒和待機控制信號,才能達到能源之星的要求。如果使用MCU做待機處理,為了達到性價比的合理搭配,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MCU所帶來的成本差別,達到合理的成本均衡。
圖7:MCU控制待機的低成本的DTA開關(guān)電源線路。 [!--empirenews.page--]
低功耗系統(tǒng)的供電設(shè)計
有些DTA系統(tǒng)功耗少于5W,這樣可以使用一個簡單的開關(guān)電源。如上述圖2是一種最簡單的交直轉(zhuǎn)換開關(guān)電源輸出12V,在系統(tǒng)待機時提供35mA的電流,效率能高達53%,完全滿足待機1W的能源之星要求。輸出12V后通過DC-DC(圖8)和使用LDO(圖9)進行分壓給系統(tǒng)的不同部分供電。不過需要注意的是一般DC-DC芯片12V系列比5V系列貴,如果能通過5V轉(zhuǎn)換是個不錯的選擇。
圖8:DTA簡單的DC-DC轉(zhuǎn)換線路。
圖9:降壓LDO線路。
本文小結(jié)
為了設(shè)計滿足能源之星要求的DTA,我們必須先了解整個系統(tǒng)的功耗,然后選擇最合適的供電方式,選擇合適的電源拓撲。對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滿足要求。無論怎么設(shè)計成本和性能的最佳比永遠是評價一款產(chǎn)品最重要的指標。