淺談待機能耗問題及其電源解決方案

1．引言

隨著家用電器、視聽產品的普及，辦公自動化的廣泛應用和網絡化的不斷發(fā)展，越來越多的產品具有了待機功能，例如電池充電、遙控、數字顯示、定時、觸控與保溫功能等等，以隨時滿足使用者的要求。這些新產品、新技術在極大地方便我們生活的同時，也造成了大量的能源浪費。舉例而言，數字電視的待機能耗在l～5W左右，機頂盒待機能耗20～40W左右，個人計算機和顯示器待機能耗5～10W左右，手機充電器待機能耗0.5～1W左右。根據國際經濟合作組織的一項調查稱，各國因待機而消耗的能量約占能耗總數的3％～13％。統(tǒng)計數據為：澳大利l2％左右，韓國1l％左右，德國10％左右，英國8％左右，日本7％左右，美國5％左右，芬蘭5％左右。目前我國城市家庭的平均待機能耗已經占到了家庭總能耗的10%左右，相當于每個家庭使用著一盞15~30W的“長明燈”。待機能耗像一只隱形的吸血蟲，在浪費能源的同時形成了巨大的環(huán)保壓力。

國際能源署(IEA)于2000年向全球電器產品生產銷售廠商發(fā)起節(jié)能倡議“1瓦計劃”，現已經得到歐盟、美國的積極響應，到2010年所有出口到這些地區(qū)的電器產品其待機功耗必須降低到1瓦，這將成為所有已經進入和試圖進入歐美市場的電子產品廠商們新的非關稅壁壘。

2．電子電器待機能耗現狀調查

“待機能耗”是指具有待機功能的電器設備在不使用的時候，沒有斷開電源所發(fā)生的電能消耗。具有待機能耗的電器設備主要有空調、電腦與通訊系統(tǒng)（包括電腦主機、顯示屏、電腦音響、打印機、掃描儀、充電器、路由器等）、家庭視頻與音頻系統(tǒng)（包括電視機、DVD、VCD、音響、功放、機頂盒、衛(wèi)星接收器等）。為了避免頻繁插拔電器插頭的麻煩，或是為了保存對電器使用狀態(tài)的設置，許多用戶很習慣地采用不斷開電源而僅用遙控器方便的閉合電器，使電器長期處于待機狀態(tài)。待機功能在為居民用戶提供便利的同時，也造成了大量的能源浪費。

據上海電力公司近期組織的一項調查顯示，該市空調、家庭視頻與音頻系統(tǒng)、電腦與通訊系統(tǒng)這三類主要家用電器的待機能耗總量約為7億千瓦時，如果平均每發(fā)電1千瓦時，需要消耗468克原煤，那么將白白浪費30多萬噸原煤。每年7億千瓦時的待機能耗，直接造成消費者約3億元電費支出的浪費【1】。

另據歐盟委員會統(tǒng)計，2005年歐盟25國安裝有37億件有待機／關機模式的產品，它們會造成47萬億瓦時的待機／關機耗電量，這相當于64億歐元的電費。預計到2010年，在歐盟范圍內電子電器產品每年的待機／關機耗電量將升至62萬億瓦時。如果歐盟成員國采取適當的措施降低待機能耗，l999年到2010年之間將節(jié)電39萬億瓦時。

3．國內外待機能耗標準

自2000年國際能源署提出電子電器待機能耗“1瓦計劃”以來，電子電器待機能耗日益得到重視。待機能耗企業(yè)自愿協(xié)議、美國“能源之星”認證、政府強制法規(guī)相繼出臺。我國作為電子電器產品出口大國，必須熟悉和了解這些協(xié)議和法規(guī)，降低產品待機能耗，跨越待機能耗的技術壁壘。

1992年，美國環(huán)保署(EPA)和能源部發(fā)起了“能源之星”工程，此計劃不具強制性。自發(fā)配合此計劃的廠商，一旦其產品滿足“能源之星”能效要求，就可以在其合格產品上貼上“能源之星”的標識。最早配合此計劃的產品主要是電腦等電器，之后逐漸延伸到電機、辦公室設備、照明、家電等?！澳茉粗恰庇媱澮殉蔀閲H標準之一?，F在，全球有28000種不同型號的終端耗能產品獲得了能源之星節(jié)能認證，每年銷售能源之星產品超過10億件。從2008年11月起，“能源之星”第二版開始執(zhí)行，規(guī)定電源適配器的待機能耗必須小于0.3W或0.5W，依適配器的輸出功率而定。

2007年12月美國頒布了《2007美國能源獨立與安全法案》，為電器及照明產品制定了第一個強制性的聯(lián)邦能效標準。其內容與加州能源委員會(CEC)頒布的《2007年加州能源委員會電器效率法規(guī)》要求基本相同。韓國宣布于2010年實施產品待機能耗小于lW強制措施，是目前最早要實施強制措施的國家。澳大利亞宣布到20l2年前，其全部電子電器產品待機能耗在lW以下。2008年7月8日，歐盟委員會公布第2005／32／EC號環(huán)保設計指令的實施法規(guī)議案，旨在降低所有家庭及辦公室電氣和電子設備在關機和待機狀態(tài)下的能耗【2】。

2008年11月，世界主要手機供應商，諾基亞、三星、LG、摩托羅拉以及索尼愛立信，共同宣布推出了一項新的更為嚴格的手機充電器待機分級制度，超越了當今世界任何機構現行或提議中的待機功耗規(guī)范。根據諾基亞的數據，手機在待機模式下所消耗的電能占到其電能使用總量的60%以上。新的分級制度將以零到五顆星的標志圖案來區(qū)分待機能耗。例如，待機功耗小于或等于30mW的手機充電器屬于最高星級，在其標簽上印有五顆星。相反，如果待機功耗≤500mW，則充電器標簽上將無任何星級標記。我們可以做下比較：對于輸出功率相同的充電器，新版”能源之星”EPS2.0規(guī)范所規(guī)定的最為嚴格的最大空載功耗為300mW，若用新的星級標準進行評級的話，則只能評定為二星級。

4．開關電源待機功耗機理分析

目前，大多數100W以下的電子設備，如電源適配器、充電器、無繩電話、ADSL路由器、LCD顯示器和DVD等等，都是采用離線反激式開關電路，將電網提供的85V～275V交流電轉換為電子設備所需要的直流電壓。正常工作狀態(tài)下，反激式開關電源的損耗主要包括導通損耗和開關損耗，以及控制電路的損耗。待機狀態(tài)下，因為系統(tǒng)的輸出電流接近于零，導通損耗可以忽略，開關損耗和控制電路的損耗成為主要的系統(tǒng)待機功耗。降低待機功耗，應著眼于開關損耗和控制電路的損耗的降低。

圖1給出反激式開關電源在待機狀態(tài)下的主要損耗類型，其中功率管開關損耗、驅動損耗、變壓器磁芯損耗、輸出整流管反向恢復損耗以及緩沖器損耗都屬于開關損耗。各種類型的開關損耗都與開關頻率有關，降低開關頻率可以減少開關損耗?？刂齐娐返膿p耗主要表現為啟動電阻上的損耗，而啟動電阻的損耗直接與整流后的直流母線電壓和啟動電阻值。在保證寬電壓輸入的工作條件下可以通過降低啟動電流的方法來降低啟動電阻損耗。

5．低功耗待機電源解決方案

作為一家領先的電源管理集成電路制造商，BCD半導體制造有限公司(簡稱BCDSemi)長期致力于高效、低待機功耗綠色電源解決方案的開發(fā)、研究。

早在2004年BCDSemi公司就率先推出了一顆與工業(yè)標準PWM控制器384x完全兼容并具有間歇式低待機功能的“綠色電源”控制器，AP384xG。AP384xG與標準PWM控制器384x相比最明顯的差別在于其內部增加了一個可控電流源，通過電流源充電提高PinCS的比較電平來實現輕載情況下的間歇式工作模式以降低待機功耗。同時，AP384xG還特別設計了低啟動電流電路，使啟動電流從典型的200uA降低至40uA，大大的降低了啟動電阻上的損耗。

由于設計上的特別考量，AP384xG具備了與標準PWM控制器384x完全兼容的特性，提供所謂“Plug-and-Play”的“綠色電源”解決方案。使用者在不需要修改其原有設計的情況下，用AP384xG去替換384x同時調整極少數的電阻、電容參數，就可以大幅度地提高電源轉換效率(55%~65%)并減低待機功耗（3.25W~0.5W），順利通過“能源之星”的節(jié)能認證【3】。由于其顯著的節(jié)能效果和兼容性，AP384xG在DVD電源、CRT/LCD顯示器電源、電動自行車充電電源等等領域已經得到了廣泛的應用，迄今已銷售超過5千萬片，已為社會累計節(jié)約電能近1.3億千瓦時。

作為全球領先的手機充電器方案提供商，BCDSemi公司于2009年6月推出了可以滿足最嚴格五星級標準的超低待機功耗充電器方案，AP376x系列，其30mW以下的空載功耗可以使制造商輕松滿足包括能源之星EPSv2.0在內的全球所有的充電器/適配器能效及空載規(guī)范。

AP3768是BCDSemi公司生產的第二代原邊控制器代表產品，其設計上除了延續(xù)第一代產品的成功架構，省去昂貴但可靠性低的外圍元件，實現高精度的輸出電壓/電流控制，保證系統(tǒng)量產條件下±5％的輸出電壓/電流容差范圍。AP3768集成了更為精確的可調電纜補償功能，允許客戶通過一顆外接電阻值的調整實現任意電壓值的補償，以滿足不同線徑、長度輸出電纜的應用。其專利的”Sub-μAStartup”技術和低工作電流是實現30mW超低待機功耗的技術保證。

圖2給出了AP3768的典型應用線路和主要特性曲線。

a)應用線路

b)輸出特性曲線

c)效率曲線

d)空載待機曲線

根據NOKIA公司的估計，如果全球30億只的手機充電器都能采用上述滿足五星級標準的技術，實現30mW以下的待機功耗，每年可為社會節(jié)約電能近1.2萬億瓦時【5】。

參考文獻：
【1】王康，上海地區(qū)家用電器待機能耗的研究和對策，《供用電》2007年第2期
【2】俞建峰，跨越電子電器待機能耗技術壁壘，《中國能源》，2009年第31卷第3期
【3】吳昕，離線式綠色電源控制芯片AP384xG，電子與電腦>>2005年第01期
【4】BCD半導體制造有限公司，AP3768產品數據手冊，www.bcdsemi.com
【5】NOKIA，“Charger Energy Rating”■