實現(xiàn)能源之星能耗要求的電視機數(shù)模轉(zhuǎn)換盒的設(shè)計

美國政府計劃從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*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(yīng)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。

表格1：DTAs能源之星標準。

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(dǎo)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。

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(dǎo)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(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。

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。

低功耗系統(tǒng)的供電設(shè)計

圖2：普通肖特基整流線路。

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*價一款產(chǎn)品最重要的指標。