超低待机功耗充电器的最新规范、挑战及应用
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厂商致力于提供高效能电源芯片与相关解决方案，协助产业界打造出匹配Ultra Mobile装置的小巧电源供应器，同时提昇转换效率提昇并降低待机功耗时，放诸于全球上亿部消费电子、移动设备与家电装置下，累积出来的能源节约量相当可观..
恩智浦半导体(NXP)高性能混合信号事业部(High Performance Mixed Signal)、大中华区资深产品行销经理张锡亮，在Ultra Mobile技术论坛中，介绍超低待机功耗充电器和适配器电源的最新加坡际规范，以及NXP最新的电源IC解决方案，以协助产业界克服Ultra Mobile时代中的设计挑战。
NXP源自于飞利浦(Philips)半导体事业部，在2008年独立出来，提供高性能混合信号(High Performance Mixed Signal)和标准产品如晶体管、逻辑元件等解决方案。
恩智浦(NXP)电源IC方案简介
NXP提供的电源IC，具备了milli-W毫瓦等级的超低待机功耗，以因应当前能源之星Energe Star、欧盟EUP Lot6等对超低待机功耗的严苛规范。
张锡亮接下来阐述当前家电、电脑周边、移动设备的耗电量及节能市场信息，讲解超低待机电源方案的必要性、相关规范之挑战，最后并介绍NXP针对减少待机功耗及提高功率的充电器和适配器电源方案，以及产品设计实例的分享。
电源控制器外型低待机功耗设计趋势
目前电源设计的趋势，不外乎符合第二代低功耗(低待机高效率)、电源供应器尺寸尽量缩小方便携带，及USB充电部份达到无噪讯与容易使用。
目前USB 3.0充电器可充到0.9A约4~5W，下一代USB充电接头可以做到9~10W。据能源之星网站统计，全球能源使用比例，约29%用于加热，17%用于冷却，13%用在家电产品，12%用于照明，其他11%用于像外接电源、电信设备、STB机顶盒、家庭视听娱乐等用途，加总起来共25%的家电与3C？PC？NB产品，可藉由低功耗高效率的电源芯片，协助缩减这部份的耗能。
依Gartner预测，到2017年的Desktop PC年出货量维持在1.5亿台以上，但包含Ultrabook加入之后的NoteBook年出货量，则可达4？4.5亿台，2015年TabletPC年出货量可以突破3亿台。Smartphone成长幅度惊人，2012年约5亿只，到2015年增加3倍到15亿只，自然也带来许多充电器与电源供应器的商机。
张锡亮展示1个由客户开发的90W薄型电源适配器，采LC架构且大小跟一般名片盒差不多；他特别提到NXP芯片，可以协助业界设计做到待机功耗仅0.2W的LC架构的电源适配器，突破以往LC架构的电源适配器待机功耗无法压低的限制，同时NXP也有针对Ultrabook的40~50W以及更小巧的10W、5W的电源适配器解决方案。
在降低待机功耗规范上，像2007年由LG、Motorola、 Nokia、Samsung与Sony Ericsson等手机厂商，联合制定30mW的待机功耗规范：从0星等(大于0.5W)、一星等(0.35~0.5W)、二星等(0.25~0.35W)、三星等(0.15~0.25W)、四星等(0.03~0.15W)到最高5颗星等(小于等于0.03W，即30mW)。能源之星则要求设计功率50W以下电源供应器，AC-AC待机功耗0.5W以下，AC-DC则要0.3W；设计功率50~250W的电源适配器，AC-AC或AC-DC的待机功耗均得在0.5W以下。
在2009年1月7日的欧盟EUP指令Lot 6规范，任何在欧盟上市的家电、个人电脑、消费性电子甚至玩具等，无论是待机、睡眠或是关机功耗都必须在1W以下，若含状态显示则不得超过2W；2013年1月7日以后上市的产品，关机模式、待机模式的耗能不得超过0.5W，若含状态显示功能则不得超过1W。
要符合EUP Lot 6的笔记本电脑Adaptor与LCD TV电源供应器，其最低待机、关机功耗要低于0.5W@0.25W，有些NB大厂其待机模式下，光芯片组供电就0.5W，因此许多解决方案暂时无法做到；大陆更把TV待机功耗压低到0.5W@0.2W，日本更要求到0.5W@0.15W。
桌上型电脑平均有36%时间处于待机模式，笔记本电脑约34%，显示器或电视进入待机模式比例更高到43%。以全球2亿部笔记本电脑与20亿只手机来计算，如果能降低待机功耗50%甚至更多，全球所节省累积下来的电费一年可能有新台币200~300亿元。
降低待机功耗的设计应用实例
张锡亮以一张Switching电源的转换效率图说明，能源损耗是由Switching losses(切换损耗)、Magnetic losses(磁性损耗)加上Conduction losses(传导损耗)，靠近满载时Conduction losses会恒定，系统空载时Switching losses为恒定。高负载降低Conduction losses的方式就是采Synchronous Rectification(同步整流)，像使用TEA1791/1761 做Flyback交换式电源，TEA1791A/1795 线性整流以取代萧基二极管，或采用降低导通电阻的MOS制程；低负载转换效率提昇部份，可使用Bust most、Soft switching、QR或切换频率降低的方法来达成。
Flyback QR在重负载下要有高效能表现，可以多种模式操作，在重负载情况下电源芯片频率降低，侦测准谐振(Quasi-resonant；QR)使Switching losses最小化，并降低EMI电磁干扰。而Flyback QR线路要在轻负载下有高效能表现，可藉由低负载模式下关闭PFC变换器(PFC converter)来降低能源耗损，TEA175X电源芯片允许反馈回路中使用更高灵敏度的传感电阻IC。
接下来，张锡亮展示一张以负载需求做变频的Switching电源线型图，进一步将电源芯片功耗也计算在内。想办法避掉22KHz以上与28KHz以下的频率区间，开发出这种特性的电源芯片，包括瞬间几十个ms时间内需要大功率的Burst most模式，因应各种不同负载状况可以降低其Switching losses并提昇效率。以TEA1733/1738为例，低负载模式下以降低Switching切换频率来降低Switching losses，此时电流输出降为尖峰电流值的25%。
设计低于65W输出功率的其轻负载应用环境，以追加主动式x-cap 放电线路、高欧姆灵敏度传感线路，可取代低功耗TL431 IC以达到更佳的精准度。同时TEA1733 IC空载时只有10毫瓦(0.01W)，主要是其操作电流非常低，IC本身耗电仅3mW(0.03W)。至于 设计功率输出小于20W的充电器或电源适配器的建议设计上，以TEA172X系列在Burst Mode爆发重负载模式下，设定切换的频率在400Hz？1850Hz之间可降低待机功耗，操作电流量仅尖峰值的1/4；正常操作模式下频率设定在22.5Khz？51.5Khz区间。
TEA1731采TSOP6封装，转换效率平均90.55~90.9%，可应用在19.5V与设计输出功率40W的电源适配器设计。若要再进一步降低电源IC本身功耗，可使用采绝缘矽(SOI)制程的元件，由于每个晶体管都包覆绝缘层，因此泄漏电流量更降低许多。例如采绝缘矽SO8制程的TEA1738为例，转换效率同样是90.55~90.9%，其启动电流仅10μA，操作电流仅5μA，是竞争对手的1/3~1/4。
GreenChip SR TEA1792芯片可做为笔记本电脑电源适配器、充电器以及LCD TV液晶电视的电源，同样采绝缘矽SO8制程，8.5~38V广域工作电压与10V高电压输出，以及可搭配同步整流零组件进一步提昇转换效率。至于设计输出功率100W以上且符合支持EUP lot6规范的电源设计部份，可使用TEA1713搭配TEA1716芯片，达到待机功耗250mW(0.25W)的需求。
小于11瓦的USB充电器、智能手机、平板电脑甚至到家电应用的低待机功耗电源方案，可采用TEA172x电源芯片家族，从5W的TEA1721(TEA1721AT/BT/DT/FT)、8W的TEA1722与支持11W的TEA1723(TEA1723AT/BT/DT/FT)，支持高性价比的设计，BoM表零组件数少于30个，以115V电源供应下待机功耗低于5mW，同时提供超越EPA 2.0的转换效率(5W模式下平均75~78%)。以TEA1721BT设计的5W(5V/1A) USB小尺寸手机充电器设计实际案例，其尺寸仅40mm(长) x 28mm(宽) x 14mm (高)。
（本文提供英译版本，请按此连结阅读英译版本内容）
