電源電子技術(shù)在降低能耗中的角色

全世界對能源消耗的關(guān)注日漸增加。作為減少能源消耗的兩種方式，能源節(jié)省需要個人的自覺性加社會決策，而能效提升就純粹是一個技術(shù)問題。美國使用的電能中的3%在電子電源轉(zhuǎn)換過程中耗散為熱量。因此電源電子產(chǎn)業(yè)，包括半導體公司、電源公司和終端產(chǎn)品制造商正在努力使這些損耗減少一半。他們所采用的方式就是提升大批量消費電子產(chǎn)品中的電源轉(zhuǎn)換效率并降低待機能耗。當然，減少這些損耗不是最終目的，實現(xiàn)更高系統(tǒng)性能和更低成本才是真正的目標。

本文探討電子產(chǎn)品中的能量損耗并探討用于減少能量損耗的技術(shù)。如果廣泛應用這些技術(shù)，潛在的能源支出將節(jié)省達到每年600億美元。如果你是電源電子產(chǎn)業(yè)的專才，這就是你躋身“綠領(lǐng)”的機會。

一些實據(jù)

如今，美國每年的碳排放量是27.5億噸。如果延續(xù)當前的軌跡，到2050年將增加超過40%。這排放的一大來源便是烘烤和烹調(diào)系統(tǒng)、照明、電器和電子設(shè)備中所使用的電力。電源電子工程師在保護地球?qū)氋F的資源中能夠發(fā)揮重要的作用。下面是一個簡要分析。

1 美國所有電力應用中的6%～10%是在電源從交流(AC)轉(zhuǎn)換到直流(DC)。

2 由于現(xiàn)有電源效率欠佳，美國所有電力消耗的3%～4%是在電源內(nèi)部消耗的。

圖1 一個美國典型家庭中不同插頭負載的電能消耗比例

3 以更好的設(shè)計、使用IC控制器、場效應管(FET)和二極管等最新的電子元器件來增加電源的效率，能節(jié)省美國所有電力消耗的1%～2%，也就是每年30～60億美元的節(jié)省潛能。

上述分析提供了電源轉(zhuǎn)換機會的寬泛估計，但缺乏必要的詳細數(shù)據(jù)，那么，就讓我們研究得更深一點……

住宅用電部分

美國每年的住宅電能消耗總量達13000億kWh。其中，17%來自“插頭負載(plug load)”，耗電量達到2 210億kWh。這部分的電能消耗可劃分為占31.1%(687億kWh)的信息技術(shù)產(chǎn)品，占41.3%(913億kWh)娛樂產(chǎn)品,“其他”占27.6%(610億kWh)。圖1顯示了這種電能消耗劃分。

如果只計算IT和娛樂產(chǎn)品的話，其電能消耗就是1 600億kWh。按照每0.1美元/kWh計算，每年的電能支出就是160億美元。將這些用電設(shè)備的效率提升20%(務實的目標)，就能夠節(jié)省32億美元，可與早前30～60億美元的數(shù)字相比，而后者還包含了商業(yè)用電部分。

商業(yè)用電部分

美國每年的商業(yè)部分電能消耗為12 300億kWh，其中9%(1 107億kWh)來自辦公設(shè)備。假設(shè)辦公設(shè)備的電能消耗能夠降低15%，潛在的電能節(jié)省達166億kWh，以0.10美元/kWh計算，就接近17億美元。

將不同部分的節(jié)省潛能相加

對于美國而言，如果提升常見電子產(chǎn)品的電源效率，結(jié)合住宅和商業(yè)用電部分能夠節(jié)省總額達49億美元的電能開支。更高效的產(chǎn)品工作模式設(shè)計所帶來的節(jié)省還能夠產(chǎn)生更多的效益。

功率是如何損耗的，針對功率損耗采取了什么措施

在電子設(shè)備，功率損耗分為兩部分，分別是待機損耗和工作損耗。待機損耗在設(shè)備(計算機、電池充電器、電視機等)關(guān)閉時出現(xiàn)，這時設(shè)備仍在消耗功率；而工作損耗則是由通常在電源中的電源轉(zhuǎn)換階段的低效所導致。在家庭應用中，待機損耗預計占到總損耗的25%，而工作損耗占余下的75%。

近年來，所做的很多工作都旨在提升公眾對電能節(jié)省的興趣，而世界各國政府啟動了很多自愿性和強制性的項目來促進更高效產(chǎn)品的設(shè)計和電能更被善用。在美國，最成功的一個例子就是“能源之星”(ENERGY STAR)，這是一個自愿性項目，旨在推廣更高效的產(chǎn)品，并鼓勵消費者來購買這些產(chǎn)品?！澳茉粗恰表椖康幕就緩绞钦{(diào)查現(xiàn)有產(chǎn)品，并設(shè)定一個產(chǎn)品要獲得ENERGY STAR標簽所必須符合的閾值，如圖2所示。

圖2 獲得針對外置電源的ENERGY STAR標簽。

另外一個例子：80 PLUS計劃

如http://www.80plus.org/網(wǎng)站上所述，“80 PLUS計劃是一個開創(chuàng)的平臺，聯(lián)合電力公用機構(gòu)、計算機產(chǎn)業(yè)和消費者，在計算機和服務器應用中，以突破性的方法來推廣高能效電源?！边@規(guī)范要求在滿載的20%、50%和80%下都具有80%或更高的電源效率，并具有 0.9或更高的功率因數(shù)。這個計劃啟動于2004年，由美國的Ecos Consulting管理。如今，超過450款臺式電腦電源已經(jīng)獲得80 PLUS標簽認證。此后世界各地出現(xiàn)了越來越多的類似規(guī)范。

功率因數(shù)校正

除了低待機能耗和高工作效率，第三個要求――高功率因數(shù)，通常也非常重要，80 PLUS規(guī)范對此就有要求。在大多數(shù)國家，在連接至主電源的輸入功率為75W或更高的產(chǎn)品中需要低輸入電流諧波。在開關(guān)電源中，這個要求通常以增加功率因數(shù)校正(PFC)升壓預穩(wěn)壓器來實現(xiàn)。這種升壓預穩(wěn)壓器改變輸入電流，來匹配輸入電壓。這就將輸入諧波減到最少，并降低了輸入電流的均方根(rms)值。這就節(jié)省了電力公司生產(chǎn)無功功率的成本，并將電力基礎(chǔ)設(shè)施高昂的擴展成本減到最小，為電網(wǎng)提供更大的電流。

電源電子設(shè)計人員面對的三重挑戰(zhàn)

在待機能耗和工作效率要求之外再增加PFC要求，就構(gòu)成了當今節(jié)能型電源轉(zhuǎn)換的景象。如今的電子產(chǎn)品包括電源的設(shè)計人員，必須洞悉這三項要求，并且隨時準備在設(shè)計的時候?qū)⑵淇紤]在內(nèi)。僅就清楚這三項要求而言就是一項挑戰(zhàn)，因為世界各地圍繞這些要求的規(guī)范標準正不斷涌現(xiàn)。

為了符合這些不斷演進的要求所面對的挑戰(zhàn)，電源管理制造商協(xié)會(PSMA)，www.psma.com，已經(jīng)開發(fā)出一個交互式能量規(guī)范數(shù)據(jù)庫，方便電源設(shè)計人員快速地瀏覽不同地區(qū)、應用、國家或機構(gòu)的規(guī)范。如今，隨著不同規(guī)范易于獲知，設(shè)計人員已經(jīng)準備好為拯救地球展開工作！

電源能效設(shè)計

我們可以想象，新的電源高度依賴于半導體――二極管、開關(guān)晶體管和控制IC――這些器件讓電源設(shè)計人員能夠設(shè)計出高能效的電源轉(zhuǎn)換電路。半導體公司共同支持此項事業(yè)，設(shè)計出具有低待機能耗、高效電源轉(zhuǎn)換和功率因數(shù)校正的產(chǎn)品。為推動采用這些新器件，推出“參考設(shè)計”針對特定應用，而這些參考設(shè)計通常伴隨有工作電路板版本的設(shè)計，并備有完整文檔。設(shè)計人員能夠測試參考電路板、針對具體應用進行修改，并以最短的時間和最低的風險得到最終設(shè)計。

當80 PLUS最初開始出現(xiàn)時，安森美半導體推出了用于臺式電及的其中一款GreenPoint參考設(shè)計，而它是第一款符合嚴格的80 PLUS要求的公開參考設(shè)計。這參考設(shè)計套件免費提供給電源制造商，已經(jīng)廣泛用于符合高能效要求。這是高能效設(shè)計符合大批量消費產(chǎn)品市場嚴格的低成本要求的一項明證。