隨著處理器製程全面進入45nm技術之後，依照規畫進入新的Nehalem微架構，並推出了新的桌上型處理器Core i7與Core i5系列。Nehalem微架構將原本的Core微架構做了改良，最重要是它將傳統位於北橋晶片的記憶體控制器整合進來處理器。在推出的產品當中，主要是高效能的四核心產品，除了部分較低階的產品不具有HyperThreading技術外，高階的產品幾乎都有。不過對於主流級市場或是一般工作環境的運用，雙核心的產品似乎比較適當，對不少一般的使用者而言，雙核心的產品已經很夠用了。

大家所熟知的Tick-Tock模型

在2009年下半年時，推出了新的H55晶片組以及1156接腳的Core i7/i5(Lynnfield)系列，依照過去的傳統，在搭配額外顯示卡的主流級晶片組之外，還會推出整合顯示功能的產品，以滿足如辦公室環境或是一般家用市場的需求。這次Intel在P55晶片組外，的確再推出這類的產品，但是設計方式與過去不一樣了，同樣擁有內建繪圖功能，但是顯示核心整合至處理器當中！

Intel推出的整合繪圖功能主流級處理器，研發代號為Clarkdale，正式名稱分別為Core i5-6XX系列以及Core i3-5xx系列，後來還推出更低價的Pentium系列。這個系列產品採用的封裝技術並不是首見，但是整合繪圖晶片的確是項新做法。Clarkdale是一款多晶片單一封裝的設計，即運算核心與繪圖核心是二個個別的晶片，再一起封裝在同一個包裝中。這樣的做法雖然讓生產過程稍為複雜一點，但是組合較具彈性，任何一個晶片有更新設計時，都不會影響太大。

由於繪圖處理器及記憶體控制器皆建於中央處理器中，改變了傳統晶片組的設計

Clarkdale運算核心是採用全新的32nm製程，這是Intel首度引入新製程時就大規模運用在主流產品。過去Intel引進新製程時，通常是先用在高階的產品上，等技術成熟穩定後才擴大至大規模的生產上。這次32nm製程的轉換似乎比過去來得快速且成熟，讓Clarkdale得以一次推出多種產品。目前的32nm製程，採用第二代High-K金屬閘極，閘極高度更僅為0.9nm。在相同的微架構設計，採用更精密的製程，晶片的面積可以縮小，同時在功耗的改進下，處理器核心的頻率也可以再向上提升。目前推出的Core i5及i3系列產品中，全部都是雙核心的設計，並且支援Hyper-Threading技術(Pentium系列除外)，當然它一樣整合了雙通道的DDR3記憶體控制器。除了Core i3系列外，內建顯示的新Core i5-6xx系列全部皆支援TurboBoost自動加速技術，這項之前僅有高階產品才擁有的記術，現在主流級產品也可以享用。TurboBoost在設定的功耗之內，會隨著運算需求的提升，自動提升工作頻率，例如現在最高階的i5-670，標準工作時脈為3.46GHz，在TurboBoost加速下，最高可達3.73GHz。Core-i3與Pentium G6950也不支援某些技術，如VT-d、TXT等。

Clarkdale採用LGA1156的接點規格

雖然Clarkdale仍採用Nehalem微架構，但是也做小幅度的改變，那就是加入新的指令！在32nm的Nehalem微架構中共加入七個新指令，而Clarkdale正式首款加入新指令的新處理器系列，新指令中有六個是支援先進加密標準(AES)的指令，稱為AESNI，另外一個則是不進位的乘法指令(PCLMLQDQ)。由於現在的應用環境不論是網路或是資料保密，有許多使用AES加解密的時機，在處理器中加入處理AES的指令後，將可加速AES的運算。AESNI目前在Pentium G6950與Core i3系列並不支援。

至於與運算核心封裝在一起，稱為Intel HD Graphics繪圖處理器，目前採用45nm製程，它可提供平順的高畫質(HD)視訊播放能力，並完全支援Windows 7作業系統，也可以輕鬆應付一般的3D遊戲而不需要額外的顯示卡。在現在推出的Core i5/i3產品當中，除了Core i5-661之外，其工作頻率都是733MHz，而Core i5-661則是高達900MHz。由於繪圖處理器採用45nm製程，雖然電晶體數(1.77億顆)比運算核心(3.82億顆)少，但是晶片面積卻較大(114mm² vs 81mm²)，它運作時的功耗也有影響，Core i5-667(87W)就比其它的同樣Clarkdale的73W來得高。除了繪圖處理器外，Clarkdale同樣也整合了一組PCI Express 2.0 X16控制器，可並拆成二組x8使用，讓主機板可以支援二片顯示卡同時使用。

Clarkdale數個系列挸格比較表

雖然Clarkdale內建了顯示功能，但是想要使用它，還得搭配新的系統晶片組，即H55/H57/Q57等，因為顯示的輸出還是得經由主機板，之前推出的P55並不具備(Flexible Display Interface,FDI)的輸出功能。搭配H55/H57/Q57後，將可擁有VGA、DVI與HDMI等不同輸出，而外部的PCI Express X16插槽則在未來擴充高速的顯示卡。Clarkdale與Lynnfield都是採用1156包裝，二者皆可在目前的P55/H55/H57上使用。Clarkdale在P55上可以順利運作，但是無法有顯示功能。同樣的Lynnfield也能安裝在H55/H57上，只是主機板上原本的顯示輸出就變成無用了。如果以實用的角度來看，H55/H57的主機板似乎比P55的產品有更大的用途！

Clarkdale的推出代表個人電腦新處理器又進入一個新的階段，未來整合的功能只會增加不會減少。至於新處理器的效能表現，將在下一篇介紹H55主機板時供大家參考。

在目前的個人電腦系統元件中，繪圖處理器是目前最複雜的半導體，新一代高階繪圖處理器內部的電晶體數量早就大幅超過主流的中央處理器了，甚至單純資料的平行運算能力也超越中央處理器。由於內部架構設計複雜，讓繪圖處理器發展與摩爾定律接近，只是和中央處理器最大的不同是一般的繪圖處理器發展與作業系統，特別是微軟的DirectX版本習習相關，因為沒有隨著DircetX大版本更新，在遊戲的支援度會打一些折扣。隨著支援DirectX 11的Windows 7即將推出之際，繪圖處理器也準備進入支援DirectX 11世代的產品了。

長度超過12吋的全長卡

AMD宣布推出第一款支援DX11的高階產品，即AMD ATi Radeon HD5870時，向大家說明這個新的Evergreen系列，產品代碼(Codename)包括HD5870為Cypress，接下來要推出的雙繪圖處理器產品稱為Hemlock，而中階的產品為Juniper以及入門級的Redwood及Cedar，這產品代號皆是常青樹名，因此。在之前產品中，例如HD4000系列中，使用雙繪圖處理器的產品仍是設定在高階HD4800編號當中，但是這次推出的雙繪圖處理器產品，雖然還是使用高階的晶片，但是自成一個新系列了，代號為Hemlock稱為AMD ATI Radeon HD5970。

取下散熱片後的印刷電路板全貌

二顆繪圖處理器，中央則是PCIe Switching晶片

PCIe Switching晶片已經標上ATI自家的商標了

就如同以往的雙繪圖處理器產品，HD5970是利用二顆HD5870等級的晶片加上PCI Express Switching晶片組合而成。HD5870採用新一代的40nm製程，在相同面積晶片裡可以塞入更多的電晶體數，通常也具有更高運作速度與較佳功耗的特性。它的內部結構部分比前一代的HD4870更為複雜，單顆晶片就擁有高達21億5千萬顆(2.15 billion)電晶體，超過二倍的數量，拜新製程所賜，其晶片面積為334mm²，比HD4870的263mm²略大一些而已。HD5870採用第二代TeraScale架構，提供前一代更強大的的計算能力！新架構較之前改良許多部分，包括指令集、串流處理器數量、繪圖引擎、材質單元到顯示控制…等等。其中串流處理器部分，單顆HD5870共有1600個串流處理核心，這些核心每五個組合成一個「Thread」處理器，而每16個Thread處理器再組合成一個SIMD引擎，整個HD5870擁有20個SIMD引擎，提供強大的平行運算能力。單一片HD5970擁有二顆晶片，可說擁有高達43億顆的電晶體及3200個串流處理器。

單顆繪圖處理器特寫

繪圖處理器內的記憶體控制器架構

1Gb GDDR5記憶體晶片

HD5870的繪圖引擎也有部分的改良，最重的一部分就是採第六代技術的Tessellation單元，此部分可利用DirectX 11的Hull與Domain Shader來控制及設定，以新的演算法來減少所需計算。傳統3D物件是利用三角形建構而成，考慮到繪圖處理器的效能時，不可能所有物件都用大量的三角形而呈現精細感覺，當物體放大時，可能就會看到比較明顯的不平滑現象。Tessellation可以讓3D物件在縮放時，自動產生更多的三角形，讓物件呈現更為精細的表現。此外新的繪圖引擎也為DirectX 11加入新的Pull Model Interpolation，更快的Geometry Shading及OpenGL效能。

電源調整電路占了不少電路板面積

現在的繪圖處理器除了繪圖計算之外，還可做為通用資料計算功能(GPGPU)處理器，AMD將之稱為Stream運算技術，隨著核心的更新，HD5870也擁有更好的表現，二顆處理器的HD5970當然也就有更強大的平行運算能力。此外它也完全支援DirectCompute 11及OpenCL 1.0。DirectCompute是Windows 7的新功能，讓作業系統可以同時使用中央處理器及繪圖處理器，在支援軟、硬體的配合下，使用者就可以使用如快速影音轉檔等功能。OpenCL則是業界為使用繪圖處理器計算所制定的標準，目前Apple的Mac OS X 10.6(Snow Leopard)已經支援此標準。

HD5970與HD5870/HD5850的規格比較

在單一HD5870晶片的顯示卡，最高功耗達到188W，僅比HD4870(160W)高出28W，待命狀態時則僅需要27W！然而HD5970擁有二顆HD5870繪圖處理器，功耗當然會更高一些。在擁有新的動態電源管理機制下，HD5970整片的最高功耗預估為294W，閒置時則僅需要42W。為了控制整片顯示卡的功耗，HD5970的二顆HD5870預設的工作頻率較低，為725MHz，相當於HD5850的頻率(標準HD5870則是850MHz)，在預設的工作頻率下，預估HD5970擁有高達4.64TeraFLops的計算能力！搭配的GDDR5記憶體預設的頻率也是如此，從HD5870的1200MHz，降至1000MHz。HD5970記憶體搭配GDDR5技術記憶晶片，每顆繪圖處理器搭配1GB容量。在每顆處理器內部記憶體控制器介面共分成四組，並設計出最佳化的記憶控制區，提供較佳的效能。因搭配的GDDR5記憶體工作頻率很高，因此還加了EDC(Error Detection Code)及時脈溫度補償，讓記憶體效能可以維持。

HD5970有一個新創舉，高階玩家必定特別有興趣，那就是顯示晶片與記憶體的工作頻率都沒有鎖頻，使用者可以利用工具程式對工作電壓與頻率做調整，在啟動保護機制前，應該可以擁有相當多的調整空間。為了擁有更好的超頻性，HD5970在散熱、電源電路都提供較佳的設計。由於二顆顯示晶片都擁有高速的運算能力，功耗也不低，HD5970在散熱部分也下了一番功夫，除了具有PWM多點可程式控制的鼓風式風扇之外，在主要的晶片上特別採用均熱板(Vapor Chamber)，其散熱能力可以達到400W，對於超頻更有有幫助。在電路板後方同樣也加了金屬片做為輔助散熱之用。

二個DVI連接埠加上一個DisplayPort

利用Eyefinity技術支援三台顯示器一起輸出

外觀部分，HD5970與HD5870類似紅黑雙色搭配，但是顯示卡長度更長！公版的HD5970共有三個輸出埠，分別有mini Display Port及二個DVI，最多可同時連接三個顯示器，最高解析度可達到三個2560×1600(7680×1600)。稱為Eyefinity的三顯示技術可以組合三台顯示器，擁有更大的桌面，讓系統能同時顯示更的視窗，對於經常需要在各種視窗切換或是同時觀看不同畫面的使用者特別好用。若是使用有支援的遊戲，也極具娛樂效果！

測試平台

測試結果

HD5970效能表現真的非常高，稱得上是新一代顯示卡的王者，不論是單純的3D測試軟體或是遊戲軟體都拿到非常高的成績，像3DMark Vanatge都能輕鬆破萬，各種遊戲測試也都擁有極高的分數。這類高階的顯示卡最能發揮效能當屬高解析度應用環境下，搭配大型顯示器與超過1920解析度以上是最好。在定價部分，AMD將HD5970定在599美元左右，價位不算太低，但是擁有這麼高的效能表現下，似乎十分值得。喜歡追求高顯示效能的玩家們，荷包準備好了沒？HD5970正在向你招手！

例如，美國環保署(EPA) 2.0版“能源之星”外部電源規範(簡稱EPA 2.0)在1.1版基礎上進一步提高了效能要求(見表1)，其中L_n為額定輸出功率的自然對數。

表1：美國環保署“能源之星”外部電源的1.1及2.0版規範。

不同適配器的功率等級相差較大，而根據IEC61000-3-2等標準的要求，功率大於75 W的電源需要增加功率因數校正(PFC)，低於75 W則無此要求。本文着重討論功率低於75 W適配器滿足EPA 2.0新規範所需要的功能，以及能夠提供展示所需功能的安森美半導體高性能、高效能控制器。

滿足效能規範的途徑

要滿足上述規範對外部電源工作效能及待機能耗的要求，我們首先需要分析清楚損耗的來源。事實上，就工作時的損耗來說，主要包括兩個方面，分別是開關損耗和由泄漏電感導致的損耗，此兩類損耗分別可以用等式(1)和等式(2)來量化：

等式(1)

等式(2)

從此兩個等式中可以看出，要提升工作效能，有兩種途徑：一是降低開關頻率(F_SW)，即在輕載時採用頻率反走技術；二是降低關閉時的漏極電壓(V_{DRAIN(turn-off)})，相應地可以採用谷底開關技術。

而就待機模式而言，一個重要的損耗來源於啟動電路的靜態損耗，即啟動電阻持續地從大電容消耗電流，造成功率損耗。而降低啟動電路損耗的途徑有多種，如採用具有極低啟動電流的控制器、採用關斷時泄漏電流極低的整合啟動電流源，以及連接啟動電路至半波整流交流輸入等。

NCP1237/38/87/88控制器的關鍵功能

NCP1237、NCP1238、NCP1287和NCP1288是安森美半導體推出的新一代固定頻率脈衝寬調變(PWM)控制器，用於需要高性價比、可靠性、設計彈性和低待機能耗的應用，如筆記型電腦、LCD顯示器、遊戲機和印表機的交流-直流(AC-DC)適配器，以及DVD和機上盒(STB)等消費性電子應用。

此系列元件包含一系列關鍵功能，幫助提升適配器的效能及降低待機能耗。例如，一般控制器需要啟動電阻來從整流交流線路電壓啟動控制器，而在正常工作期間，此啟動電阻還持續消耗功率。相比較而言，NCP1237/38/87/88系列控制器內置啟動場效電晶體(FET)，此FET用作高壓電流源。輸入交流電壓施加在適配器上時，此電流源為控制器的V_CC電容供電。此高壓啟動電路在正常工作條件下關閉(此時由反激輔助繞組提供偏置電壓以省電)，消耗的功率極低；同時，控制器無需啟動電阻(參見圖1)，幫助降低待機能耗，減少元件數量及節省電路板空間。

圖1：帶啟動電阻與不帶啟動電阻(內置電壓啟動電流源)對比。

此系列控制器還採用輕載時頻率反走技術和跳周期模式，降低輕載時的開關頻率，從而提升效能；同時，開關頻率在25 kHz時鉗位，從而消除可聽噪聲。此外，此系列元件提供多種保護功能，如雙啟動電流電平、輸入欠壓及主電源過壓保護、過載保護、雙過渡保護閾值、軟啟動和閂鎖保護等。此系列元件還提供可選的動態自供電(DSS)功能，從而無需輔助繞組； 並內嵌斜坡補償，不需要外部設定。以NCP1238為例，此元件的典型應用電路圖如圖2所示。

圖2：NCP1238典型應用電路圖。

應用設計步驟及要點

1) 電源段設計

要在設計中應用NCP1237/38/87/88系列控制器，首先要設計電源段。由於功率小於75 W，此功率等級常見採用反激轉換器。相應地，需要計算出此反激轉換器相關元件參數，選擇好恰當的元件。例如，根據輸出電壓和輸出電流可以計算出輸出功率，再根據EPA相關標準來預估效能，結合輸出功率和效能來預估輸入功率，隨後可以計算出平均輸入電流，並計算出大電容值。有關電源段設計中電容、變壓器、電感和MOSFET等參數的詳細計算過程，參見參考資料(1)或(2)。

值得一提的是，在電源的次級端，可以考慮採用同步整流技術來顯著提升效能。在此方面，可以採用安森美半導體的NCP4302同步整流控制器。諸如適配器、充電器和機上盒等空間敏感型反激應用中使用NCP4302這樣的同步整流控制器，能夠顯著提升效能，而額外成本極低。NCP4302已經上市，新的NCP4303同步整流控制器也將於2010年上市。

2) 設定過載補償

過載補償(OPP)會影響初級峰值電流。我們可以根據相關公式計算出初級峰值電流，然後計算出過載補償電阻值(R_OPP)。安森美半導體已經創建過載補償電子設計表格，方便用戶恰當地選擇R_OPP及其對峰值電流(I_peak)、瞬態電流(I_TRAN)、輸出功率(P_out)及瞬態功率(P_TRAN)的影響。

3) 降低空載輸入能耗

在降低空載(待機)輸入能耗方面，除了採用前述內置啟動高壓電流源的無啟動電阻設計和NCP1237/38/87/88這樣的帶有頻率反走及跳周期模式的控制器，還可以採取其它眾多途徑或訣竅，如降低變壓器泄漏電感、不允許動態自供電工作、減小V_CC鉗位電阻值、降低開關損耗、優化鉗位電路、藉反饋電阻分壓器減小渦流、為所有負載電流設定穩定的工作、降低TL431偏置電路損耗、降低次級整流器及其緩沖器的損耗和不使用輸出電壓顯示LED等。

4) 磁學設計

磁性元件磁通密度應該以峰值電流來設計，並提供一些裕量(5%)，以防止飽和。另外，需要結合具體設計要求看是否需要100%的輸出電流，若不是，就減小磁芯尺寸。例如，假定最大輸出電流是3.5 A，但只在瞬態條件下需要此大電流，其長期的均方根(RMS)值僅1.75 A，負載係數僅為0.5(而非1)。設計人員減小磁芯尺寸後，就可以減小磁芯及銅損耗。變壓器磁芯尺寸、繞組設計及氣隙長度等計算同樣參見參考資料(1)或(2)。

5) 改善電磁干擾

在適配器設計中，交流線路濾波、二極管緩沖器、直流輸出濾波器、驅動器鉗位、鉗位環路和電源開關環路等可能會出現電磁干擾(EMI)，故改善EMI同樣是設計工程師面臨的重要任務。相應地可以採取一些設計技巧或方法，如所有帶射頻電流的開關環路的面積均應較小，以兩個扼流圈來分隔輸入交流濾波器以減小寄生電容耦合影響，以及關閉通過變壓器注入射頻電流的電路環路等。就二極管緩沖器而言，緩沖器電阻應當接近振鈴電路的特征阻抗，且緩沖器的RC(電阻電容)時間常數應當相對於開關周期較小，但與電壓上升時間相比應當較長。還可從電路板布線方面着手，進一步改善EMI。

典型65 W筆記型電腦適配器展示板效能測試結果

>安森美半導體以NCP1237控制器為基礎建構了一款典型65 W筆記型電腦適配器(輸出電壓為19 V)的展示板，並針對EPS 2.0版規範優化。相關效能測試結果見表2。

表2：搭載NCP1237的65 W筆記型電腦適配器工作效能及待機能耗測試結果。

需要指出的是，此效能測試結果是在長度為1.05米、銅截面積為0.75平方毫米的直流線纜上所測得的，更接近於真實世界中的效能測試結果。此展示板在115 Vac時的平均效能高達87.32，230 Vac時平均效能也達87.21%，均符合EPA 2.0工作模式的效能要求。從表2右側可以看出，此展示板在極輕載時也具有很高效能，且在空載(待機)模式下的能耗遠優於於EPA 2.0不高於0.5 W的規範要求。

總結

“能源之星”2.0版外部電源規範對筆記型電腦、LCD顯示器、印表機和機上盒等應用的工作效能和待機能耗提出了更高的要求。安森美半導體新的NCP1237/38/87/88系列控制器帶輕載時頻率反走和跳周期等重要功能，設計工程師能夠採用以搭載此系控制器的經典反激轉換器來滿足“能源之星”效能規範要求。搭載NCP1237的65 W適配器展示板效能測試結果顯示，平均效能高於87%，並有可能提供低於300 mW的空載(待機)能耗，且在整個電源設計中盡力減少功率浪費的條件下，能夠實現低於100 mW的空載能耗，滿足並超越“能源之星”的要求。

供稿：安森美半導體

参考资料：

1、《功率低於75 W、待機能耗極低的固定頻率適配器設計及應用》，www.onsemi.com/pub/Collateral/ADAP1%20-%20Fixed%20Frequency%20Adapter%20with%20Very%20Low%20Power%20Consumption%20-%20bilingual.rev0.pdf，安森美半導體<

2、Design and Implementation of a Fixed-Frequency Adapter with Very Low Power Consumption，www.onsemi.com/pub/Collateral/TND376-D.PDF，安森美半導體

3、www.psma.com，電源制造商協會效能數據庫

在市場規模迅速擴大的同時，在規範標準及綠色營銷的壓力下，液晶電視的工作及待機能耗也越來越低。如“能源之星”4.0版規範及5.0版規範相繼將於2010年5月及2012年5月生效，其中5.0版要求螢幕對角尺寸32吋、42吋和60吋的平板電視平均工作能耗從4.0版不超過78 W、115 W和210 W，下降到不超過55 W、81 W和108 W，相當於兩年時間內降低能耗約50%。

在液晶電視的總能耗中，統計顯示，背光所消耗的電能比例高達2/3。故液晶電視的另一項重要趨勢是採用新技術來提升背光及面板效能，降低能耗。在液晶電視背光源方面，目前冷陰極熒光燈(CCFL)背光源占據支配地位，但此技術不但能耗高，且包含劇毒物質汞不利於環保，燈管呈條型或U型，使用壽命短；相較而言，新興的發光二極體(LED)背光耗電量更小，不含汞，尺寸更易於配置為更均勻的背光，使用壽命更長，故LED背光在液晶電視中極具應用潛力。據統計，2009年採用LED背光源的液晶電視比例為3%，預計未來幾年此一比例將迅速提高，到2014年將達到50%，完全可與CCFL背光分庭抗禮，並進一步取代CCFL背光。

液晶電視電源包含功率因數校正(PFC)、訊號電源、背光電源及ECO待機等多個組成部分，不同部分往往包含不同的架搆可供選擇，參見圖1。以PFC段為例，可以選擇如臨界導電模式(CrM)、連續導電模式(CCM)或交錯式頻率鉗位臨界導電模式(FCCrM)等不同的PFC控制器。選擇何種電源架搆，需結合應用的螢幕尺寸、功率等級及背光源等因素。另外，作為重要賣點的纖薄設計也影響着電源方案的選擇。

圖1：液晶電視電源架搆多種多樣

1) 採用CCFL背光源的32英寸液晶電視電源架搆

例如，目前市場上銷量最大的是32吋液晶電視。在這類液晶電視中，採用標準24 V逆變器電源的方案在市場上仍占多數，但新興的高壓液晶電視整合電源(HV-LIPS)的應用也不斷增多，總體上呈現出並存的態勢。採用標准24 V逆變器的傳統液晶電視在接受110/220 Vac市電輸入後，經過整流、PFC及濾波，轉換為200/400 Vdc的直流高壓。由於傳統高壓逆變器的輸入電壓要求是24 Vdc，故PFC的輸出電壓200/400 Vdc會經過降壓轉換，產生多路輸出電壓，其中一路24 Vdc電壓提供給高壓逆變器，再經過DC-AC轉換為超過1,000 V甚至達2,000 V的交流高壓，去驅動液晶面板的CCFL陣列。安森美半導體為這類傳統液晶電視推出了220 W液晶電視電源GreenPoint®參考設計，其中採用的關鍵元器件包括NCP1606 CrM PFC控制器、NCP1396諧振半橋控制器及NCP1027待機控制器等。

與這種採用標準24 V逆變器架搆的傳統電源不同，高壓LIPS方案將AC-DC、DC-DC和逆變器結合在同一塊電路板上，在獲得200/400 Vdc的PFC輸出後，會直接將此輸出電壓作為逆變器的輸入，再通過DC-AC轉換為驅動CCFL陣列所需的超過1,000 Vac甚至達2,000 Vac的高壓，這就消除了24 V轉換段，減少大量功率損耗及降低底盤發熱量，提升系統總效能，並降低系統成本，更符合“能源之星”等相關效能規範。

圖2：安森美半導體32英吋高壓LIPS液晶電視電源GreenPoint®參考設計功能方塊圖

針對高壓LIPS架搆的液晶電視需求，安森美半導體與Microsemi公司合作，推出了用於32吋液晶電視的高壓LIPS參考設計。這參考設計採用簡單直接的CrM PFC段，且無額外待機開關電源，性價比極高。此參考設計採用了安森美半導體的NCP1607 PFC控制器、NCP1351或NCP1219帶低待機能耗模式的反激轉換控制器，以及Microsemi的LX6503背光控制器等關鍵IC。此完整液晶電視LIPS電源參考設計功能方塊圖見圖2。

值得一提的，此參考設計架搆具有高度的彈性，只需對原理圖及所用元件作出極小改動即可支持多種電壓/電流配置。而且由於使用了採用零電壓開關全橋拓撲結搆的進階背光控制器，逆變器電源能夠輕易地擴展，支持26吋到42吋的多種液晶電視尺寸。客戶利用這高效能先進參考設計，可縮短開發周期，加快產品上市進程。

2) 46吋液晶電視電源架搆

安森美半導體還針對更高功率的液晶電視推出了46吋液晶電視電源參考，此電源參考適合任何類型的背光方案，能擴展支持40/42吋或52/55吋液晶電視，參見圖3。

此電源參考採用的關鍵安森美半導體IC包括新的交錯式FCCrM PFC器NCP1631、帶谷底鎖定功能的新NCP1379准諧振反激轉換控制器或NCP1252固定頻率脈衝寬調變(PWM)控制器、NCP1053A高效能、低待機能耗開關電源，用於僅關注電源段的性能主導型項目。在第一階段，此電源參考的電路板高度低於13 mm，液晶電視總高度低於17.5 mm；後續第二階段還將使電路板高度降到低於8 mm，總高度低於12.5 mm。

在纖薄設計成為液晶電視重要賣點的當今，電源設計面臨更嚴格的挑戰，如需要使用低高度的變壓器、線圈或散熱片，及將多個部件串聯或對水平安裝等。就PFC控制器而言，儘管安森美半導體的NCP1606或NCP1654等已經可以將電路板高度降到很低，但要支持更低厚度的液晶電視設計，則可以採用安森美半導體新的單芯片交錯式PFC控制器NCP1631，用於高達300 W功率應用，同時也提供140至264 Vac的窄電壓範圍版本，用於功率大於200 W及注重纖薄設計的應用。

圖3：安森美半導體46吋液晶電視電源參考功能方塊圖

在訊號電源方面，如上所述，採用的是新的NCP1379准諧振反激轉換控制器或NCP1252固定頻率反激控制器。其中，NCP1379最大功率達70 W(32吋設計為50 W)，最多提供3路輸出電壓能力(與32吋相當)，最大輸出電流為4 A。NCP1379提供可變頻率模式，用於超低待機能耗模式，在寬功率範圍內保持高效能。NCP1252提供50 kHz的固定頻率PWM，支持自然的CCM，為多路輸出方案改善電流因數及變壓器耦合/交叉穩壓。

而在待機電源方面，有兩種方案，一種是專用ECO待機開關電源，採用整合高壓開關穩壓器NCP1053A，非常適合最大功率小於5 W的小型專用待機電視微處理器，提供低於90 mW的極低待機能耗。此元件帶磁滯模式，提升ECO性能，開關頻率及IC功率消耗更低；低頻模式支持DCM模式，降低開關損耗；電流受限，減少可能的噪音問題。另一種方案是採用待機繼電器，由電視機微處理器直接控制(待機/導通)，並提供可選的ECO“導通/關閉開關”，在230 Vac條件下空載輸入能耗低於20 mW。

3) 46吋液晶電視參電源考背光方案

上述46吋液晶電視參考電源適合任意類型的背光方案，包括單獨及專用的背光方案。例如，提供高壓LIPS用於CCFL/EEFL背光，其中採用2個高端驅動器NCP5111及Microsemi背光控制器。也可採用新的NCP1397准諧振反激轉換器或CAT4026側光式LED驅動器(詳見後文)，提供高直流輸出電壓半橋LLC，用於LED背光驅動器。還可採用已獲市場證明的NCP1392/NCP1392控制器，用於傳統的24 V逆變器方案，為CCFL背光供電。而為了適應等離子電視(PDP)應用，也可採用NCP1397控制器，並增加降壓或升壓轉換器。

其中，在CCFL/EEFL背光的46吋LIPS逆變器方面，所採用的安森美半導體NCP5111高端驅動器能夠提升效能及減小全橋500 V功率MOSFET的尺寸，且在修改高壓變壓器設計條件下，電路板上高度低於13 mm，從而支持低厚度設計。

圖4：安森美半導體46吋側光式液晶電視背光方案(見黃色背景部分)

而在LED背光方面，市場上常見的背光單元包括側光式及直下式兩種類型，各有其優勢和不足；但相對而言，側光式LED背光提供高於90%的效能，在市場上備受歡迎。而在46吋電源參考的側光式LED背光單元方面，可以採用的安森美半導體關鍵IC包括帶高端驅動器的NCP1397初級側控制器，以及新的6通道線性LED驅動器控制器CAT4026，適合超薄液晶電視設計(電路板上高度低於8 mm，總高度低於12.5 mm)，參見圖4。

其中， NCP1397作為LLC段控制器，在背光應用中提供眾多優勢，如不需要驅動器變壓器，帶來成本及安裝優勢；又如簡單應用跳周期模式，適合調光所需；以及簡單應用過渡保護，幫助節省成本 等。故NCP1397是高性價比及高安全性的方案。

另一方面，市場上現有的6通道側光式LED驅動器背光方案中，各通道均含專用驅動器IC、電感型DC-DC升壓轉換器及開關；相較而言，安森美半導體的CAT4026作為多通道LED線性驅動器，以單顆IC支持6通道，且易於分級為多達12個或18個通道(相應採用2個或3個控制器)，是一種高性價比的方案，目標效能高於90%，典型效能達94%。此外，此驅動器還提供正向電壓監測功能，可以限制總體功率耗散；還能應用LED開路及過多LED短路等不同LED串故障。

總結

本文分析了液晶電視的市場及技術發展趨勢，介紹了安森美半導體完整的液晶電視電源方案，包括用於32吋且可擴展支持26到42吋的傳統及高壓LIPS液晶電視的電源參考設計，適合任何背光型的46吋且可擴展到40到55吋應用的電源參考設計，以及46吋側光式LED背光電源方案。這些參考設計具有高效能、高靈活性等優勢，適合纖薄及超薄的液晶電視設計，並提供極大的協同優勢，便於復用方案，幫助客戶加速設計進程，加快產品上市。

供稿：安森美半導體

參考資料：

1、《液晶電視AC-DC電源架搆及LED背光》，www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/LCD%20-%20AC-DC%20LCD%20TV%20Power%20Architecture%20-%20bilingual.rev1.pdf，安森美半導體

2、《180 W高壓LIPS液晶電視電源GreenPoint®參考設計》，www.onsemi.com/pub/Collateral/TND360-D.PDF，安森美半導體

nVIDIA在2008年推出Tegra處理器，它採用了ARM架構，再加上強力的影音多媒體功能，是專門針對小型移動等裝置而設計，讓不少人感到訝異，對市場也有一些影響。不過在第一代Tegra處理器中，對於影音的支援能力還不算太強，像是視訊部分只支援到720p，到後來的Tegra 650才開始支援1080p。這次新推出的Tegra 250內部架構改變了不少，讓效能強化許多。

在Tegra 250內部架中，大概可以區分為八個處理單元，分別為二個ARM Cortex-A9處理器、一個ARM7、圖像處理器、HD視訊編碼／解碼器、音訊處理器及2D/3D繪圖處理器，據說有前一代十倍的效能表現！其中雙ARM Cortex-A9的設計讓Tegra 250成為目前全球首款移動式裝置的雙核心處理器，工作頻率達到1GHz，提供極高的效能表現。內建的HD視訊編碼、解碼、音訊處理器，可以支援Full HD的播放能力，其中支援H.264、VC-1及MPEG-4的解碼，影片編碼功能則是支援H.264格式。而AAC、AMR、WMA及MP3等多種音訊標準，當然也都在支援之列。

身為全球主要繪圖處理器供應商的nVIDIA，在Tegra 250中當然不能省掉這一塊，內部分擁有的2D/3D影像處理器，正是讓Tegra 250擁有繪圖效能表現，在展示產品中，甚至可以執行3D的遊戲，3D效能大概為前一代的2倍！

除了擁有高運作效能外，Tegra 250的功耗表現也極為驚人，目前Tegra 250採用台積電的40nm製程，功耗據說只有0.5W！加上更好的動態電壓及頻率縮放到電源管理技術下，將可擁有超過140小時音樂及16小時高畫質視訊的播放時間。由於Tegra 250功耗極低，基本上並不需要散熱片及風扇，讓產品的製作成本更低。

Tegra 250的運算核心仍是ARM架構，並不是x86架構，因此無法執行Windows類的作業系統。然而以手持等行動、連網裝置為目標的Tegra 250，本來就不需要執行微軟肥大的作業系統，反而像是Google Android更為適用。而低功耗的特性，不僅可用在小型的播放器，亦能應用在較大型的平板電腦、電子書閱讀器，甚至是SmartBook上，目前國內已經有多家製造商製作出相關的硬體產品了。其中平板電腦似乎有捲土重來的趨勢，亦有多款產品準備好要推出了，就讓大家拭目以待。

在前不久才結束的美國CES消費電子展當中，AMD在顯示晶片部分，主要宣布筆電專用的繪圖處理器，亦是目前最早全面支援DX11的筆電專用產品。這部分從高階的ATI　MobilityHD5800開始，包含有效能級的HD5700/5600系列、主流級的HD5470/HD5450至入門級的HD5430為止，讓製造商可以依照市場需求搭配使用。此系列產品當中，除了支援DX11之外，都支援AMD Stream技術及新的Eyefinity技術，前者是利用繪圖處理器做大量資料平行運算，目前已可在Windows 7下使用。至於後者即是此世代產品加上的多重顯示器技術，依照等級的不同，可支援六～四個顯示器。由於應用在筆電上，此系列的繪圖處理器擁有比以往更低的功耗以及更佳的電源管理機制，如硬體直接管理顯示面板背光及快速在內建與獨立繪圖處理器切換的功能。

在筆電的市場當中，AMD也提出XGP的解決方案。所謂的XGP是在筆電上預留一個外接介面，目前是採用PCIe X8傳輸規格，以便接上外部的顯示卡裝置。此方案提出之後，目前在宏碁(Acer)的產品上可以選擇，不過第一代產品應用的是HD4670。在新一代產品上，AMD已經將原有的機構稍做改變，放入最新的HD5800系列繪圖處理器做展示，不僅擁有更高的顯示效能，亦提供了多種輸出連接埠，甚至還有提供額外的USB埠，讓筆電的顯示效能及擴充能力更佳。

在目前顯示卡、顯示器市場當中，3D已經成為十分熱門的功能，AMD亦提供相對應的方案。在 3D顯示時，除了要擁有支援120Hz以上的顯示器外，控制液晶式的眼鏡及中介軟體都是主要構成元件之一。和對手提出的專用產品設計不同，AMD採用較開放的設計，3D立體眼鏡部分讓消費者有更多樣且更便宜的選擇，只要它能搭配AMD顯示卡使用即可。

至於桌上型的產品部分，在不久前正式推出的中階主流級AMD ATI Radeon HD5670之後，剩下的就是屬於入門級等級產品，依據AMD的規畫，入門級產品預計會有二個系列推出，推出時程應該都在二月中之前。此二系列產品都將擁有相當低的功耗設計，對於不需要太高3D顯示效能，卻又需要多個顯示器輸出以及高效能視訊處理的應用時，將是物廉價美的新選擇。

事實上以現在的中高階繪圖處理器來看，幾乎都足以應付所有遊戲的需求了，甚至許多遊戲軟體都無法完全發揮繪圖處理器所有效能！在這種情況下，有些人開始思考遊戲軟體要如何提供更好的效果？繪圖處理器是否可以做更多的事？繪圖處理器提供商之一的nVIDIA便提出了PhysX技術，來提供新一代遊戲軟體應用。

PhysX技術一般稱之為物理加速，是nVIDIA在2008併購Ageia而取得相關技術，現在與Ageia當初設計出單獨的輔助處理器不同，nVIDIA利用CUDA技術來計算PhysX，即支援CUDA的繪圖處理器都會支援PhysX。除了直接同時使用繪圖處理器的運算能力外，使用者亦能在系統中加裝額外的顯示卡，設定為專門計算PhysX之用。

為什麼PhysX對遊戲有很大的影響？一般在電腦上做繪圖計算，主要是追求物體／光線的像真度，一般的3D電玩都是如此，雖然在計算能力提升下，即時顯示的物件更加逼真，但是還有一些部分待突破，特別是物體間的互動。在真實世界當中，物體有其本身的物理特性，不同材質相碰到時，也有不同的反應才是。受限於處理器的速度下，過去電玩裡的物件總是很固定，招牌／玻璃被子彈打到都無動於衷，布料可能只是一片，不會有飄動或是破裂的情況，這種情況在真實世界中是不可能出現！不同物體間碰到時都會有作用力發生，不同材質也有不同的特性，這些都可以稱為物理性。現在利用PhysX技術，就可以讓電玩裡的物件更像真實世界，顯示效果也更加真實，像是布料材質、水、煙霧或是爆炸等都能逼真呈現。這些效果沒有PhysX技術做不出來嗎？當然不是，只要設計者願意，都可以利用中央處理器與繪圖顯示器計算出來，但是要花很多計算時間，大概沒有玩家願意忍受吧！

PhysX技術的推出，理論上會有很好的效果，但是若沒有應用軟體或是遊戲軟體支援就沒有什麼用，還好PhysX目前受到許多電玩開發及發行商的支援，已經有許多款遊戲加入支援的行列，部分舊的遊戲甚至推出更新版而支援PhysX！不少新推出的遊戲更是把PhysX發揮到最佳，這次我們就以「蝙蝠俠：小丑大逃亡(Batman:Arkham Asylum)」這款最新的遊戲來向大家說明有沒有PhysX的差別。

先說明一下我們使用的平台：

同一個場景中，上方開啟PhysX，可以看到畫面中多了煙霧／水氣效果，讓場景看起來更加真實。

上方場景開啟PhysX，讓通道中擁有更多的蜘蛛網，而且經過時蜘蛛網受到主角移動的影響也會跟著飄動。

上方場景同樣開啟PhysX，讓畫面變得更加真實與豐富。

上方場景有開啟PhysX，比起下方的場景更為逼真。

除了煙霧效果外，開啟PhysX後，在某些情況下還會出現火花的效果！

爆炸效果更佳。

除了以上的效果外，像是布料質感與特性(會碎裂)會出現，物體落下後還會出現火花四散的效果，場景變得非常逼真，讓遊戲效果更佳。不過在開啟PhysX後，因為也需要繪圖處理器的CUDA運算能力，場景物件變得更為複雜，顯示效能會稍降，不過以GTX275來處理還可以負荷，如果要發揮最大效果，建議可以另外插一張9800GT等級的顯卡，專門做為PhysX處理之用！現在有越來越多的遊戲支援物理加速功能，提供更好的顯示效果，因此在選擇顯示卡時，這點可能也要列入參考喔！

在Intel的製程與微架構變動計畫下，在引入新的Nehalem微架構之後，現在輪到更換新的半導體製程了，即是之前所宣布的新一代製程為32nm。也就是相同的微架構設計，採用更精密的製程後，晶片的面積可以縮小，在功耗的改進下，處理器核心的頻率也可以再向上提升。目前使用的32nm製程，也採用第二代High-K金屬閘極，閘極高度更僅為0.9nm。過去在半導體業中，引進全新的製程時，總是會先用某些元件(如SRAM)來試產，等製程穩定後才會生產主力產品，但是這次Intel更新製程時，很快就用來生產主力產品，這是Intel第一次如此立即運用新製程來生產不同價位處理器。

這次推出的新處理器，除了採用新的32nm製程外，更整合了繪圖處理器。即新的單一處理器封裝中，不僅具有運算處理單元，還整合了記憶體控制器及繪圖處理器，讓系統晶片組及主機板都變得更為簡單。不過繪圖處理器部分並未真正整合至處理運算晶片當中，而是採用雙晶片(中央處理器＋繪圖處理器)封裝在一起，目前這個繪圖處理器應該還是採用45nm所生產。此繪圖處理器擁有比以往產品更高的繪圖效能，這個稱為Intel HD Graphics繪圖處理器，提供平順的高畫質(HD)視訊播放能力，並完全支援Windows 7作業系統，也可以輕鬆應付一般的3D遊戲而不需要額外的顯示卡。

此次Intel推出的Core系列處理器，主要有針對筆記型及桌上型系統，亦有為工控系統，如資訊站等使用的嵌入式系統適用的產品。筆記型電腦適用的產品主要有Core i7/i5/i3三個系列，目前推出的產品皆為雙核心並支援HyperThreading，即有四個執行緒，擁有比以往更好的效能。這三個系列產品，除了工作時脈不同之外，主要是以內建繪圖處理器的工作頻率及是否支援TurboBoost加速技術來區分。

桌上型產品部分，整合繪圖功能的新處理器目前有Core i5-6×0系列及i3-5×0二大系列，與之前推出的i7-9×0/8×0及i5-7×0最大的差別就是在此及運算核心數，i5-6×0/i3-5×0這二個新系列全部都是支援HyperThreading的雙運算核心。在i5-6xx系列當中，除了i5-661為900MHz外，其繪圖處理器工作時脈皆為733MHz，目前最高階的i5-670，標準工作時脈為3.46GHz，在TurboBoost加速下，最高可達3.73GHz。

由於新的處理器具有繪圖功能，無法搭配原來的P55晶片組(因顯示功能無法輸出)，因此Intel也推出新的H55/H57晶片組來對應。

在筆記型電腦平台部分，除了新處理器與系統晶片組外，Intel也推出四款Centrino無線網路卡，其中三款為純粹的802.11n無線網卡，三款產品的差別在於發射與接收天線數不同，讓它們最高的資料傳輸率有所不同。Centrino Advanced-N+WiMAX 6250，除了支援802.11n外，更支援新一代的WiMAX無線通訊功能。

雖然交錯式PFC使用相對較多的元器件，但卻擁有很多優勢。例如，150 W的PFC比300 W PFC更易於設計、便於採取模組化途徑、散熱更好及可以擴展臨界導電模式(CrM)應用範圍等。另外，兩個不連續導電模式(DCM) PFC看上去像一個連續導電模式(CCM) PFC，簡化了電磁干擾(EMI)濾波設計，減小輸出均方根(RMS)電流，從而減少損耗及發熱，提高設計的可靠性。尤其值得稱道的是，交錯式PFC支援使用尺寸更小的元器件，從而利於纖薄設計，增強產品賣點。

圖1:採用兩顆NCP1601 PFC控制器實現的交錯式PFC架構功能電子方塊圖

圖1顯示的交錯式PFC是一種離散式的解決方案，採用了2顆NCP1601晶片。NCP1601是一款緊湊的固定頻率DCM或CrM PFC控制器，採用SOIC-8或PDIP-8封裝，能夠充分利用DCM及CrM這兩種工作模式的優勢，如DCM限制最大開關頻率，CrM限制升壓二極體、MOSFET及電感的最大電流，降低成本及提升電路可靠性。這2顆NCP1601 PFC控制器驅動2個PFC分支，這2個分支同步但獨立工作，從而保證了DCM工作模式(零電流檢測)，沒有CCM工作模式的風險，且在滿載條件下2個分支都進入CrM工作模式。

新穎的單晶片2相交錯式PFC控制器

與上述離散式交錯PFC不同，NCP1631是安森美半導體新推出的一款單晶片2相交錯式PFC控制器，採用SOIC-16封裝，替代2顆NCP1601，驅動2個PFC支路，提供接近1的高功率因數。此元件可以實現同樣的低高度設計，適合任何需要PFC的離線式應用尤其是纖薄型應用如平板電視，典型應用示意圖如圖2所示。

對於交錯式PFC的2個支路而言，有兩種方案來工作。其中一種是主/從方案，即主支路自由工作，而從支路以180°相移跟隨主支路工作。這種方案的主要挑戰是維持CrM工作(無CCM，無死區時間)。另一種方案是交互相位方案，即每個相位都在CrM恰當工作，且兩個相位交互作用，設定180°相移。這種方案主要的挑戰是保持恰當的相移，因為雖然維持了CrM工作，但若其中某個相位的導通時間發生擾動，則可能會讓180°相移減弱。NCP1631選擇的是交互相位方案，兩個支路獨立工作，故兩個相位必然在頻率鉗位臨界導電模式(FCCrM)下 工作，防止出現不需要的死區時間或CCM序列的風險。此外，NCP1631內置振盪器充當交錯式時鐘產生器，管理異相工作，使兩個相位交互作用，並在包括啟動、過流保護(OCP)或瞬態序列等所有條件下持續180°相移工作。

圖2:NCP1631典型應用示意圖。

NCP1631滿載時在CrM下工作，輕載時及接近線路過零點時在DCM下工作，從而充當頻率鉗位(由振盪器提供)的CrM控制器，優化完整負載範圍內的能效。FCCrM還縮小電磁干擾(EMI)濾波的頻率範圍，不需要大尺寸電感以限制頻率範圍，支援使用小尺寸電感，如使用150 µH電感(PQ2620)可用於寬主電源範圍的300 W PFC應用。此外，NCP1631還支援頻率反走，降低輕載時的鉗位頻率，進一步改善輕載能效。測試顯示，頻率反走技術提升輕載和空載時的能效。

圖3:NCP1631的引腳輸出及功能描述。

NCP631具有高保護等級，提供過流保護、浪湧電流檢測、單獨引腳用於過壓保護 (OVP) 及欠壓保護 (UVP) 等。例如晶片上的CS引腳監測負電壓VCS，由於VCS與兩個交錯式支路消耗的總輸入電流Iin成正比，故表示可監測Iin。其中CS引腳電流ICS在CS引腳上保持0 V電壓；若ICS超過210 µA，就會觸發過流保護。這個CS引腳同樣提供浪湧電流檢測，當ICS超過14 µA(訊號處於高電平)時，就會關閉輸出驅動，防止損壞MOSFET。晶片上單獨OVP/UVP引腳用於輸出過壓及欠壓保護。此外，BO引腳用於輸入欠壓(BO)檢測，帶50 ms消隱延遲，符合維持時間要求。NCP1631的輸出引腳功能描述見圖3。

NCP1631另一項重要特點是能夠提供 “ pfcOK ” 訊號，能用於啟用/關閉下行轉換器，簡化下行轉換器設計。在PFC段正常工作時 pfcOK訊號是高電平(5 V)，能夠用作5 V電源 (電流能力5 mA)。否則，在任何時候檢測到重要故障(如欠壓鎖定條件、熱關閉、欠壓保護、輸入欠壓、閂鎖/關閉、Rt引腳開路等) 而關閉、 或在PFC段獲得額定大電壓前的啟動相位期間、 pfcOK訊號處於低電平。此外，NCP1631還具備前饋功能，從而改善環路補償。

能效測試結果及影響因素

對於基於NCP1631的300 W、寬電壓範圍PFC預轉換器展示板而言，輸出電壓通常為390 V，滿載時輸出電流為770 mA，20%負載時則為154 mA。這兩類輸出電流一般以相同工具測量，在10%及20%這樣的輕載條件下測量必須特別細心，因為1 mA的誤差就可能導致較大的能效差別。例如，20%負載時，輸入功率為63 W，在154 mA正確值的基礎上，若產生1 mA的誤差，如測得為153 mA或155 mA，相應的能效就分別為:100 x 390 x 0.153/63 = 94.7%，及100 x 390 x 0.155/63 = 95.9%，能效相差高達1.2%。

您的瀏覽器可能無法支援顯示此圖片。 值得注意的是，PFC能效並不只取決於控制模式，電感、MOSFET、二極體、EMI濾波器等都會影響能效。例如，採用200 µH PQ2625電感與採用150 µH PQ2620電感時，約輸出負載高於約50%，則能效差別顯著；相當，在輕載條件下，由於頻率反走功能的緣故，能效相差極小。

圖4:對於基於NCP1631的300 W、寬電壓範圍PFC預轉換器展示板能效測試結果。

測試顯示，對於基於NCP1631的300 W、寬電壓範圍PFC預轉換器展示板具有極高能效。在20%至100%負載範圍下，115 Vac線路電壓時能效高於95.8%，230 Vac線路電壓時能效高於97.0%。

總結:

交錯式PFC支援使用較小的元器件，能夠改善熱性能、增大臨界導電模式(CrM)功率範圍並減小電流紋波，非常適合對尺寸要求極為嚴格的纖薄應用，如最新的超薄液晶電視等。安森美半導體在之前以2顆較小NCP1601實現分立式交錯式PFC的基礎上，新推出了新的2相式頻率鉗位臨界導電模式(FCCrM) PFC控制器NCP1631，以單顆IC整合構建強固及緊湊的2相交錯式PFC段所需的全部特性，且外部元件極少。FCCrM及NCP1631提供的頻率反走功能支援使用小電感，測試顯示，在完整負載範圍內均提供高能效。

供稿：安森美半導體

參考資料：

1、《交錯式功率因數校正》，www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/iPFC%20-%20Interleaved%20Power%20Factor%20Controller%20-%20bilingual.rev0.pdf，安森美半導體

2、《交錯式功率因數校正段特性》，www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8355-D.PDF，安森美半導體

3、NCP1631數據手冊，www.onsemi.cn/pub/Collateral/NCP1631-D.PDF，安森美半導體

就“能源之星”的新版固態照明標準而言，此標準的一項重要特點是要求多種住宅照明產品的功率因數最低要達到0.7，其中的一些典型產品有可攜式檯燈、櫥櫃燈及戶外走廊燈等。這類LED照明應用的功率一般在1到12 W間，屬於低功率應用。這類低功率應用最適宜的電源拓撲結構是隔離型反激拓撲結構。不利的是，現有用於設計這些電源的標準設計技術通常使得功率因數(PF)僅在0.5至0.6的範圍。本文將分析現有設計功率因數低的原因，探討改善功率因數的技術及解決方案，介紹相關設計過程及分享測試部分資料，顯示此參考設計如何輕鬆符合“能源之星”固態照明規範對住宅LED照明應用功率因數的要求。

設計背景
典型離線反激電源轉換器在開關穩壓器前面採用全波橋整流器及大電容，選擇這種配置的原因是每2個線路週期內線路功率降低，直到零，然後上升至下一個峰值。大電容作為儲能元件，填補相應所缺失的功率，為開關穩壓器提供更加恆定的輸入，維持電能流向負載。這種配置的功率利用率或輸入線路波形的功率因數較低。線路電流在接近電壓波形峰值的大幅度窄脈衝處消耗，引入了干擾性的高頻諧波。

業界有關被動式功率因數校正( Passive PFC)的方案眾多，這些方案通常都使用較多的額外元器件，其中一種方案就是谷底填穀(valley-fill)整流器，其採用的電解電容和二極體組合增大了線路頻率導通角，從而改善功率因數。實際上，這個過程利用高線路電壓以低電流給串聯電容充電，然後在較低電壓時以較大電流讓電容放電給開關穩壓器。典型應用使用2個電容和3個二極體，而要進一步增強功率因數性能，則使用3顆電容和6個二極體。

圖1：典型填穀電路。

雖然填穀整流器提高了線路電流的利用率，但並未給開關穩壓器提供恆定的輸入。提供給負載的功率會有較大紋波，達線路電源頻率的2倍。需要指出的是，仍然需要4個二極體來對線路電源整流，使這種方案所用的二極體數量達到7個或10個。這些二極體及多個電解電容增加了方案成本，降低了可靠性，並佔用了可觀的電路板面積。

另外一種方案是在反激轉換器前採用主動式功率因素校正(Active PFC)，如NCP1607B。這種方案提供典型性能高於0.98的優異功率因數，但增加了元件數量、降低了效率及增加了複雜性，最適用的功率電平遠高於本應用的功率電平。

解決方案

高功率因數通常需要正弦線路電流，且要求線路電流及電壓之間的相位差極小。修改設計的第一步就是在開關段前獲得極低的電容，從而得到更貼近正弦波形的輸入電流。這使整流電壓跟隨線路電壓，產生更理想的正弦輸入電流。這樣，反激轉換器的輸入電壓就以線路頻率的2倍跟隨整流正弦電壓波形。如果輸入電流保持在相同波形，功率因數就高。提供給負載的能量就是電壓與電流的乘積，是一個正弦平方(sine−squared)波形。由於這種正弦平方波形的能量傳遞，負載將遭遇線路頻率2倍的紋波，本質上類似於填穀電路中出現的紋波。

如上所述，輸入電流必須保持在幾近正弦的波形，從而實現高功率因數。高功率因數的關鍵在於通過將回饋輸入維持在與線路頻率相關的恆定電平，不允許控制環路針對輸出紋波來校正。一種選擇是大幅增加輸出電容，從而減小120 Hz紋波量，某些應用可能要求使用這種方案。如果頻率高於可見光感知範圍，通用照明應用的LED更能容忍紋波。更緊湊及廉價的方案是濾除返回至PWM轉換器的回饋訊號，確立接近恆定的電平。這個電平固定了電源開關中的最大電流。電源開關的電流由施加的瞬態輸入電壓除以變壓器初級電感再乘以電源開關導通時間長度來確定。

安森美半導體的NCP1014LEDGTGEVB評估板經過了優化，可以驅動1到8顆大功率高亮度LED，如Cree XLAMP® XR−E/XP−E、Luxeon™ Rebel、Seoul Semiconductor Z−POWER®或OSRAM Golden Dragon™。此設計基於整合帶內部限流功能的高壓電源開關的緊湊型固定頻率脈衝寬調變(PWM)轉換器NCP1014而建構。由於NCP1014採用固定頻率工作，電流不能上升到高於某個特定點；這個點由輸入電壓及開關週期或導通時間結束前的初級電感來確定。由於導通時間的限制，輸入電流將跟隨輸入電壓的波形，從而提供更高的功率因數。相關電路圖見圖2。

圖2：NCP1014LEDGTGEVB電路圖。

設計過程
較高的開關頻率可以減小變壓器尺寸，但同時會增加開關損耗。本參考設計選擇了100 kHz版本的NCP1014作為平衡點。這個單片轉換器的能效預計約為75%，因此，要提供8 W輸出功率，預計需要10.6 W的輸入功率。輸入工作電壓範圍是90到265 Vac。NCP1014包含安森美半導體的動態自供電(DSS)電路，藉減少元件數量簡化了啟動。此整合控制器的散熱考慮因素決定了最大輸出功率。電路板上的銅區域會散熱並降溫。當轉換器工作時，反激變壓器上的偏置繞組會關閉DSS，降低轉換器的功耗。較低的工作溫度能提供給負載更多的電能。

下文簡單介紹本參考設計各電源段所選擇的元器件及部分相關選擇理據。詳細的設計過程參見安森美半導體的《用於“能源之星”LED照明應用的離線LED驅動器參考設計文檔套件》，網址是：http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TND371-D.PDF。

1)電磁干擾(EMI)濾波器

開關穩壓器從輸入源消耗脈衝電流。有關諧波含量的要求限制了電源輸入電流的高頻分量。通常濾波器由電容和電感組成，可以削弱不良訊號。輸入線路上連接的電容以與輸入電壓呈90° 的異相電流導通，這種轉移電流通過位移輸入電壓與電流之間的相位降低了功率因數，故需要在濾波需求與維持高功率因數之間取得平衡。

根據電磁干擾的屬性及濾波器元件的複雜特性，電容C1和C2起始選擇了100 nF電容。選擇的差分電感L1用於提供L-C濾波器頻率，約為開關頻率的1/10。所使用的電感值是：

實際設計中選擇的是2.7 mH電感，這是一個標準電感值。基於這個起點，根據經驗來調節濾波器以符合傳導干擾限制。電容C2增加到了220 nF，從而提供干擾限制餘量。電阻R1限制突波電流，並在出現故障時提供易熔元件。根據應用環境的不同，可能需要熔絲來滿足安全要求。注意在初級總電容較小的情況下突波電流較小。

2)初級鉗位

二極體D5、電容C3和電阻R2組成鉗位元網路，控制由反激變壓器洩漏電感造成的電壓尖峰。D5應當是一個快速恢復元件，額定用於應對峰值輸入電壓及反射到變壓器初級上的輸出電壓。600 V額定電流為1 A的MURA160快速恢復二極體是D5的適宜選擇。電容C3必須吸收洩漏的能量，同時電壓只有極小的增加，1.5 nF的電容足以用於這類低功率應用。電阻R3必須耗散洩漏的能量，但不一定會降低能效。該電阻根據經驗選擇47 kΩ。需要注意的是，該電阻和電容C3的額定電壓是125.5 V。

3)偏置電源

二極體D6對偏置繞組提供的電源整流。200 mA電流時額定電壓為100 V的MMBD914二極體是D6的適宜選擇。初級偏置由電容C4、電阻R3和電容C5來濾波。選擇的C5為2.2 µF，C4為0.1 µF，R3為1.5 kΩ。

4)輸出整流器

輸出整流器必須承受遠高於630 mA平均輸出電流的峰值電流。最大輸出電壓為22 V，整流器峰值電壓為93.2 V。所選擇的輸出整流器是3 A、200 V、35 nS的MURS320，提供低正向壓降及快開關時間。2,000 µF的電容將輸出紋波電流限制在25%，或是峰-峰值144 mA。

5)電流控制

通過監測與輸出串聯的感測電阻RSENSE的壓降，維持恆定的電流輸出。電阻R11連接感測電阻至通用PNP電晶體Q1的基極-射極結。當感測電阻上的壓降約為0.6 V時，流過R11的電流偏置Q1，使其導通。Q1決定了流過光耦合器U2的LED的電流，並受電阻R4限制。光耦合器U2的電晶體為NCP1014提供回饋電流，控制著輸出電流。

設定輸出電流Iout=630 mA則要求感測電阻RSENSE=0.85 Ω。感測電阻由4顆並聯的元件R6、R7、R8和R9組成，選擇R6和R7的阻值為1.8 Ω，選擇R8的阻值為10 Ω，而讓R9開路，從而產生約0.83 Ω的總感測電阻。

6)功率因數控制

在本電路中維持高功率因數有賴於緩慢的回饋反應時間，僅支持給定輸入電源半週期內回饋電平略有改變。對於這種電流模式的控制元件而言，最大峰值電流在半週期內幾乎保持恆定。與傳統回饋系統相比，這就改善了功率因數。電容C6提供慢速的環路回應，抑制NCP1014的內部18 kΩ上拉電阻及來自回饋光耦合器電晶體的電流。從經驗來看，電容C6確定在22 µF至47 µF的範圍之間。

7)變壓器

本LED驅動器要求的最低輸入電壓為90 Vac，相應的峰值為126 Vac，在輸出功率Po=8 W、效率(η)=0.75及Vin=126 V的條件下，計算出的峰值電流Ipk=0.339 A。再使用100 kHz的開關頻率(fSW)值，計算出初級電感(Ip)=1858 µH。

這個功率等級適合選擇視窗面積(Ac)為0.2 cm2的E16磁芯。最大磁通密度設定為3 kG，可以計算出的初級匝數為105匝(T)。輸出電壓限制為22 V，用於開路負載事件下的保護。為了提供一些輸出電壓餘量及降低占空比，輸出電壓值增加50%，達到33 V。次級最小匝數(Ns)將是約20匝。

NCP1014需要最低8.1 V的電壓，使轉換器工作時DSS功能免於啟動。最低LED電壓設計為12.5 V，初級偏置繞組匝數(Nb)約為13匝。

8)開路保護

齊納二極體提供開路負載保護。開路電壓由二極體D8電壓、電阻R4壓降及光耦合器LED電壓的加總而確定。所選擇的齊納二極體D8的額定電壓為18 V。

9)洩漏電阻器及濾波器

電阻R10及電容C10提供小型的放電通道，並過濾輸出雜訊。

10)模擬調光

本參考設計包含一個可選的控制部分，以實現模擬電流調節的調光。基於這個目的，可以增加電阻R12、R14、R15、二極體D9、電晶體Q2等元器件從及至電位計R13的連接。本設計所選擇的電阻R12的阻值為1 kΩ，調光電位計R13為10 kΩ，R14為820 Ω，R15為1 kΩ。

11)電容壽命

LED照明的其中一項考慮因素是驅動器與LED應當具有相當的工作壽命。雖然影響電源可靠性的因素眾多，但電解電容對任何電子電路的整體可靠性至關重要。有必要分析本應用中的電容，並選擇恰當電解電容，從而提供較長的工作壽命。電解電容的可用壽命在很大程度上受環境溫度及內部溫升影響。本參考設計選擇的電容是松下的ECA-1EM102，額定值為1000 µF、25 V、850 mA、2,000小時及85℃。在假定50℃環境溫度條件下，這電容的可用壽命超過12萬小時。

測試結果

相關測試資料是NCP1014LEDGTGEVB評估板在負載為4顆LED、工作電流約為630 mA條件下測得的，除非另行有說明。圖3及圖4是不同條件下的能效測量資料。圖5顯示的是不同線路電壓條件下的功率因數。需要指出的是，輸入電壓在90 Vac至135 Vac範圍內時，功率因數高於0.8，遠高於“能源之星”的LED住宅照明應用功率因數要求。

圖3：Vin=115 Vac、不同輸出負載時的能效

圖4：Pout=8.5 W、不同線路電壓時的能效

圖5：不同線路電壓時的功率因數。

總結：

“能源之星”標準為固態照明提供了量化要求，使LED驅動器面臨一些新的要求，如功率因數校正。這就需要新穎的解決方案來滿足這些要求，同時還不會增加電路複雜性及成本。本文結合優化的NCP1014LEDGTGEVB評估板，介紹了安森美半導體的離線型8 W LED驅動器參考設計的設計背景、解決方案及設計過程，並分享了相關能效及功率因數測試結果，顯示此參考設計提供較高的能效，符合“能源之星”固態照明標準的功率因數要求，非常適合這類低功率LED照明應用。

參考資料：

1. ENERGY STAR SSL Luminaire Specification, Version 1.1

http://www.energystar.gov/index.cfm?c=new_specs.ssl_luminaires

2. Cree XLAMP MC−E Specification

http://www.cree.com/products/xlamp_mce.asp

3. Fraen Reflector Optics for Cree MC−E

http://www.fraensrl.com/prodinfo.html

4. ON Semiconductor Design Note DN06051: Improving the Power Factor of Isolated Flyback Converters for Residential ENERGY STAR LED Luminaire Power Supplies

http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/DN06051−D.PDF

5. LED Desk Lamp Conversion White Paper TND358

http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TND358−D.PDF

供稿：安森美半導體