几款用于白家电各功能模块的高能效方案设计

　　随着人们对能源使用、环境保护的观念越来越强，对人性化、个性化产品的需求越来越多，节能、环保、智能逐步成为了消费者对白家电产品新的诉求。如何为白家电提供更有效的电源管理、更精准的电机控制及更便捷的人机交互，成为了白家电厂商新的努力目标。
　　作为全球领先的高性能硅方案供应商，安森美半导体致力于为白家电领域提供全系统完备的技术和解决方案，所提供产品涉及电源和信号管理、逻辑、分立及定制器件，帮助白家电客户克服在电源管理、电机驱动、系统控制、用户接口、通信互连等各个功能模块中所面临的设计挑战。
　　
　　图1. 白家电功能模块简化框图
　　电源管理功能模块
　　安森美半导体积极参与全球各种标准组织及工作组在电源能效方面各种规范及激励项目的制定及更新（如 ENERGY及80 PLUS ），推出符合世界各地所有相关规范的方案及产品。安森美半导体提供宽广阵容的电源管理方案，帮助客户应对在低待机能耗、高工作能效以及功率因数校正等电源管理关键领域所面临的挑战。其GreenPoint参考设计指明了设计高能效电源的方向，参考设计中包含的原理图、物料单（BOM）、PCB Gerber文件、设计重点及测试报告，可有效帮助工程师缩短设计周期，加快产品上市。
　　安森美半导体用于白家电电源管理功能模块的方案涵盖AC-DC转换、DC-DC转换、功率因数校正（PFC）及电源逆变等产品。安森美半导体的多款高效能AC-DC离线稳压器内部集成高压功率MOSFET，简化了小功率开关电源的设计。NCP107x（0/1/2/5/6/7）系列采用PDIP-7或SOT-223封装，内部集成了700 V高压MOSFET，采用电流模式65/100/130kHz固定频率工作，用于3W至15W功率的应用。该系列支持频率反走及跳周期模式，能有效提升电源轻载能效。另外该系列还具有内置高压启动功能，支持动态自供电（DSS），提供无损耗启动序列。
　　图2为基于安森美半导体NCP1075设计的8W双路输出市电供电反激电源，固定工作频率100kHz；两路输出都包含肖特基二极管，用于提升能效；根据所要求的稳压精度提供双感测选择；变压器次级绕组提供了良好的负载稳压及互稳压。
　　
　　图2. 基于安森美半导体NCP1075设计的8W双路输出市电供电反激电源
　　NCP112x（2/4/9）系列采用PDIP-7封装，内置650 V额定雪崩能量MOSFET，采用峰值电流模式65/100kHz开关频率工作。NCP112x支持正常及频率反走条件下的频率抖动，改善电磁干扰（EMI）性能，其内置4 ms软启动、可调节限流并有效降低空载待机能耗。
　　图3为基于安森美半导体NCP1129设计的25 W高压市电供电电源，它提供12 V恒压输出，采用峰值电流模式控制，带可调节斜坡补偿，确保在连续导电模式（CCM）的稳定性；优化短路保护及实际过载检测；轻载条件下频率反走至26kHz。
　　
　　图3. 基于安森美半导体NCP1129设计的25W高压市电供电电源
　　同时安森美半导体还为客户提供高集成度功率因数控制器、DC-DC控制器、分立MOSFET、功率整流器、二极管及晶体管等完整系列的电源半导体产品。
　　电机驱动功能
　　安森美半导体为白家电变频驱动提供分立及模块式设计：
　　分立设计器件：安森美半导体用于MOSFET/IGBT门极驱动器NCP5104、NCP5106、NCP5111、NCP5181能工作在高达600V的输入电压，具有每纳秒50V的dv/dt抗扰度，并兼容于3.3V和5V输入逻辑，这些器件使用启动电路（bootstrap）技术来确保驱动高边功率开关，并提供强固的设计。
　　安森美半导体用于功率因数控制器的IGBT产品有 NGTB05N60、NGTB10N60、NGTB15N60、NGTB20N60L2、NGTB30N60，带续流二极管；用于电机驱动被动功率因数校正的IGBT产品有NGTG12N60、NGTG15N60S1、NGTG20N60L2、NGTG30N60F、NGTG50N60F，不带续流二极管。
　　
　　图4. 用于功率因数控制器的IGBT
　　
　　图5. 用于电机驱动功率因数校正的IGBT
　　安森美半导体用于电机控制的MOSFET产品具有低导通阻抗、低电容、低门极电荷等特性，能将器件导通损耗、开关损耗以及驱动器损耗降至最低，提供高抗雪崩能力及大电流通过能力。
　　模块式设计：安森美半导体采用IMST（绝缘金属基板技术）技术使分立无源器件（电阻、电容）、分立有源器件（二极管、晶体管）及集成电路（门驱动器、DSP、逻辑）等封装到同一智能功率模块（IPM）中。
　　
　　图6. 安森美半导体专有的绝缘金属基板技术（Insulated Metal Substrate Technology，IMST）示意图
　　智能功率模块（IPM）内含门极驱动、欠压保护（UVLO）、过温检测及电流检测等功能，通过内部优化布线来改善EMI及散热性能，可集成PFC。
　　安森美半导体用于白家电电机运动控制的步进电机驱动器提供高精度微步进，提供平顺、安静的运行。AMIS-30622集成无传感器停转检测，能动态控制速度、转矩及位置，维持连续运行；LB1948MC及LV8548MC能提供双极及BiDCMOS选择，支持单通道步进电机/双通道直流电机，励磁模式支持满步、半步，具有低饱和电压、低导通阻抗等特性；LV8712T采用单通道PWM恒流控制，励磁模式包括满步、半步、1/4步、1/8步，集成过热关闭、低压检测以及有源反激等保护。
　　安森美半导体提供应用于无刷直流电机（BLDC）驱动的单相及三相电机驱动器，LB11685AV采用无传感器设计，脉冲幅度调制（PAM）控制，软启动有利于提升启动时的稳定性，软开关则有助于提供静音驱动，内置限流器、过热关闭及抖动锁定（beat lock）保护；LV8136V是一款三相BLDC电机用PWM系统预驱动IC，提供高能效、150°PWM静音驱动。
　　用户接口功能模块
　　1） 电容式触摸传感器方案
　　安森美半导体LC717A00/10电容-数字转换器大规模集成电路（LSI）提供8/16通道电容-传感器输入，适合各种开关应用。采用差分电容检测，能够检测到毫法拉级的电容变化，LSI内部具有自动执行校准功能及导通/关闭判定，每路输入的（导通/关闭）检测结果可由串行接口（I2C兼容总线或SPI）读取。此外，每路输入的测量值可以读取为8位数字数据，增益及其他参数也可以通过串行接口进行调节。
　　安森美半导体提供的电容式触摸传感器具有无需粘合剂、长传感器走线、宽工作温度范围、无额外元件、高抗噪声等优点，为客户提供灵活、低成本、高可靠性设计。
　　
　　图7. 安森美半导体电容式触摸传感器具有高度灵敏度，支持戴手套触摸，支持含气隙应用
　　2） 环境光及距离传感器
　　安森美半导体的环境光传感器具有设计灵活性，可以根据需要在EEPROM中调整，定制过滤0.0125勒克斯检测（即明视光响应），另外具有暗电流和温度补偿、最低每单位分辨率能耗，高速模式的I2C接口，在断电时也不会影响总线工作。安森美半导体环境光传感器包含数字输出（如NOA1305）和模拟输出（如NOA1212）。同样可以采用的还有距离传感器NOA2301、NOA2302及NOA3301。
　　3） LCD驱动器
　　安森美半导体提供用于白家电的LCD段驱动器，涵盖从静态到1/10占空比及点阵式驱动器。LC79401KNE是支持图形点阵液晶显示的80输出段（segment）驱动器LSI，支持4位并行输入，当与组（common）驱动器LC79430KNE配合使用时，可以驱动大屏幕液晶面板。
　　4） 通讯互连
　　白家电之间的互连及通讯可通过无线（Zigbee或WiFi）或现有的电力线基础设施实现。家庭的每个角落都有电源插座，这使得电力线成为了一个覆盖极为广泛的网络。安森美半导体利用其先进的半导体技术，推出的电力线载波（PLC）调制解调器及电力线驱动器产品可以帮助客户轻松构建联网型智能控制系统。
　　安森美半导体提供一系列领先扩频型频移键控（S-FSK） PLC调制解调器，NCN49599、NCN49597基于ARM Cortex M0内核MCU，同时支持AC及DC工作，每通道最大波特率达4.8k，支持Cenelec A、B、C及D波段，NCN49599内部集成了功率放大器。AMIS49587，AMIS30585基于ARM7内核MCU，仅支持AC工作，每通道最大波特率分别为2.4k和1.2k。这些窄带PLC调制解调器嵌入了PHY+MAC，符合严格的国际标准（FCC、CENELEC、IEC61334-5-1），可在低压和中压网络上运行。
　　安森美半导体的PLC驱动器产品NCS5650是一款高效能、低失真的AB类驱动器。NCS5650在关闭模式仅消耗150uA电流，在输出电流为1.5A时，输出电压确保在任意输入端以1.0V或更低的摆幅摆动，确保在严格的环境中提供最优的信噪比。
　　5） 保护
　　接地故障断路器（GFCI）是针对北美地区法规要求的一种特殊保护设备，用于防止触电事故风险， GFCI遵从UL943标准。安森美半导体的NCS37000 GFCI信号处理器，用于火线-中性-地线保护。只需极少的元器件以及一个低匝数比铁氧体电流互感器，大幅减少了物料成本，专用DSP控制器提供最佳的有害负载抑制性能，自同步内部振荡器根据交流输电线频率调节，在50Hz及60Hz配电系统上都能达到全精度范围。
　　
　　图8. 安森美半导体NCS37000 GFCI信号处理器应用示图
　　系统控制功能模块
　　安森美半导体提供多种用于白家电控制的MCU产品，主要用于系统控制、LCD显示屏控制以及小型电器系统的控制。日益增加的需求让MCU产品集成度越来越高， 功耗要求也越来越严苛。以LC87F7932B为例，仅在RTC工作模式下提供0.45 μA的平均能耗，而在控制LCD显示屏、RTC工作及间歇工作以检测传感器的12位模数转换器（ADC）的情况下，总平均能耗仅为1.5 μA。
　　基于ARM Cortex内核的32位MCU在白家电领域增长也非常迅速，未来8位/16位将主导简单应用，32位将主导复杂应用。
　　
　　图9. 基于ARM Cortex-M3 32位MCU的空调室外机案例
　　安森美半导体提供的PLL时钟合成器/产生器基于锁相环技术，具有零PPM合成误差，能提供低抖动的高精度时钟信号，支持-40℃至+85℃的工业温度范围，支持LVPECL、LVDS、HCSL、LVTTL/LVCMOS多种输出接口。
　　安森美半导体提供容量从1kb至2Mb的EEPROM产品，能够满足1.8/1.7V至5.5V的宽Vcc工作电压范围，支持工业级和扩展温度范围。
　　总结：
　　采用安森美半导体完备成熟的系统解决方案，将帮助白家电厂商更好地满足终端消费者需求，为市场提供安全可靠的白家电产品。安森美半导体拥有的庞大全球设计及应用资源网络，也将为客户提供专业化的技术支持，为产品快速推向市场提供助力。