淺談待機(jī)能耗問題及其電源解決方案

1．引言

隨著家用電器、視聽產(chǎn)品的普及，辦公自動(dòng)化的廣泛應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)化的不斷發(fā)展，越來越多的產(chǎn)品具有了待機(jī)功能，例如電池充電、遙控、數(shù)字顯示、定時(shí)、觸控與保溫功能等等，以隨時(shí)滿足使用者的要求。這些新產(chǎn)品、新技術(shù)在極大地方便我們生活的同時(shí)，也造成了大量的能源浪費(fèi)。舉例而言，數(shù)字電視的待機(jī)能耗在l～5W左右，機(jī)頂盒待機(jī)能耗20～40W左右，個(gè)人計(jì)算機(jī)和顯示器待機(jī)能耗5～10W左右，手機(jī)充電器待機(jī)能耗0.5～1W左右。根據(jù)國際經(jīng)濟(jì)合作組織的一項(xiàng)調(diào)查稱，各國因待機(jī)而消耗的能量約占能耗總數(shù)的3％～13％。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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(jī)能耗已經(jīng)占到了家庭總能耗的10%左右，相當(dāng)于每個(gè)家庭使用著一盞15~30W的“長明燈”。待機(jī)能耗像一只隱形的吸血蟲，在浪費(fèi)能源的同時(shí)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(chǎn)品生產(chǎn)銷售廠商發(fā)起節(jié)能倡議“1瓦計(jì)劃”，現(xiàn)已經(jīng)得到歐盟、美國的積極響應(yīng)，到2010年所有出口到這些地區(qū)的電器產(chǎn)品其待機(jī)功耗必須降低到1瓦，這將成為所有已經(jīng)進(jìn)入和試圖進(jìn)入歐美市場的電子產(chǎn)品廠商們新的非關(guān)稅壁壘。

2．電子電器待機(jī)能耗現(xiàn)狀調(diào)查

“待機(jī)能耗”是指具有待機(jī)功能的電器設(shè)備在不使用的時(shí)候，沒有斷開電源所發(fā)生的電能消耗。具有待機(jī)能耗的電器設(shè)備主要有空調(diào)、電腦與通訊系統(tǒng)（包括電腦主機(jī)、顯示屏、電腦音響、打印機(jī)、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(jī)、DVD、VCD、音響、功放、機(jī)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(shè)置，許多用戶很習(xí)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(jī)狀態(tài)。待機(jī)功能在為居民用戶提供便利的同時(shí)，也造成了大量的能源浪費(fèi)。

據(jù)上海電力公司近期組織的一項(xiàng)調(diào)查顯示，該市空調(diào)、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(jī)能耗總量約為7億千瓦時(shí)，如果平均每發(fā)電1千瓦時(shí)，需要消耗468克原煤，那么將白白浪費(fèi)30多萬噸原煤。每年7億千瓦時(shí)的待機(jī)能耗，直接造成消費(fèi)者約3億元電費(fèi)支出的浪費(fèi)【1】。

另據(jù)歐盟委員會(huì)統(tǒng)計(jì)，2005年歐盟25國安裝有37億件有待機(jī)／關(guān)機(jī)模式的產(chǎn)品，它們會(huì)造成47萬億瓦時(shí)的待機(jī)／關(guān)機(jī)耗電量，這相當(dāng)于64億歐元的電費(fèi)。預(yù)計(jì)到2010年，在歐盟范圍內(nèi)電子電器產(chǎn)品每年的待機(jī)／關(guān)機(jī)耗電量將升至62萬億瓦時(shí)。如果歐盟成員國采取適當(dāng)?shù)拇胧┙档痛龣C(jī)能耗，l999年到2010年之間將節(jié)電39萬億瓦時(shí)。

3．國內(nèi)外待機(jī)能耗標(biāo)準(zhǔn)

自2000年國際能源署提出電子電器待機(jī)能耗“1瓦計(jì)劃”以來，電子電器待機(jī)能耗日益得到重視。待機(jī)能耗企業(yè)自愿協(xié)議、美國“能源之星”認(rèn)證、政府強(qiáng)制法規(guī)相繼出臺(tái)。我國作為電子電器產(chǎn)品出口大國，必須熟悉和了解這些協(xié)議和法規(guī)，降低產(chǎn)品待機(jī)能耗，跨越待機(jī)能耗的技術(shù)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(jì)劃不具強(qiáng)制性。自發(fā)配合此計(jì)劃的廠商，一旦其產(chǎn)品滿足“能源之星”能效要求，就可以在其合格產(chǎn)品上貼上“能源之星”的標(biāo)識。最早配合此計(jì)劃的產(chǎn)品主要是電腦等電器，之后逐漸延伸到電機(jī)、辦公室設(shè)備、照明、家電等?！澳茉粗恰庇?jì)劃已成為國際標(biāo)準(zhǔn)之一。現(xiàn)在，全球有28000種不同型號的終端耗能產(chǎn)品獲得了能源之星節(jié)能認(rèn)證，每年銷售能源之星產(chǎn)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(jī)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(dú)立與安全法案》，為電器及照明產(chǎn)品制定了第一個(gè)強(qiáng)制性的聯(lián)邦能效標(biāo)準(zhǔn)。其內(nèi)容與加州能源委員會(huì)(CEC)頒布的《2007年加州能源委員會(huì)電器效率法規(guī)》要求基本相同。韓國宣布于2010年實(shí)施產(chǎn)品待機(jī)能耗小于lW強(qiáng)制措施，是目前最早要實(shí)施強(qiáng)制措施的國家。澳大利亞宣布到20l2年前，其全部電子電器產(chǎn)品待機(jī)能耗在lW以下。2008年7月8日，歐盟委員會(huì)公布第2005／32／EC號環(huán)保設(shè)計(jì)指令的實(shí)施法規(guī)議案，旨在降低所有家庭及辦公室電氣和電子設(shè)備在關(guān)機(jī)和待機(jī)狀態(tài)下的能耗【2】。

2008年11月，世界主要手機(jī)供應(yīng)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(xiàng)新的更為嚴(yán)格的手機(jī)充電器待機(jī)分級制度，超越了當(dāng)今世界任何機(jī)構(gòu)現(xiàn)行或提議中的待機(jī)功耗規(guī)范。根據(jù)諾基亞的數(shù)據(jù)，手機(jī)在待機(jī)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(biāo)志圖案來區(qū)分待機(jī)能耗。例如，待機(jī)功耗小于或等于30mW的手機(jī)充電器屬于最高星級，在其標(biāo)簽上印有五顆星。相反，如果待機(jī)功耗≤500mW，則充電器標(biāo)簽上將無任何星級標(biāo)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(yán)格的最大空載功耗為300mW，若用新的星級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評級的話，則只能評定為二星級。

4．開關(guān)電源待機(jī)功耗機(jī)理分析

目前，大多數(shù)100W以下的電子設(shè)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(guān)電路，將電網(wǎng)提供的85V～275V交流電轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備所需要的直流電壓。正常工作狀態(tài)下，反激式開關(guān)電源的損耗主要包括導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，以及控制電路的損耗。待機(jī)狀態(tài)下，因?yàn)橄到y(tǒng)的輸出電流接近于零，導(dǎo)通損耗可以忽略，開關(guān)損耗和控制電路的損耗成為主要的系統(tǒng)待機(jī)功耗。降低待機(jī)功耗，應(yīng)著眼于開關(guān)損耗和控制電路的損耗的降低。

圖1給出反激式開關(guān)電源在待機(jī)狀態(tài)下的主要損耗類型，其中功率管開關(guān)損耗、驅(qū)動(dòng)損耗、變壓器磁芯損耗、輸出整流管反向恢復(fù)損耗以及緩沖器損耗都屬于開關(guān)損耗。各種類型的開關(guān)損耗都與開關(guān)頻率有關(guān)，降低開關(guān)頻率可以減少開關(guān)損耗。控制電路的損耗主要表現(xiàn)為啟動(dòng)電阻上的損耗，而啟動(dòng)電阻的損耗直接與整流后的直流母線電壓和啟動(dòng)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(dòng)電流的方法來降低啟動(dòng)電阻損耗。

5．低功耗待機(jī)電源解決方案

作為一家領(lǐng)先的電源管理集成電路制造商，BCD半導(dǎo)體制造有限公司(簡稱BCDSemi)長期致力于高效、低待機(jī)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(biāo)準(zhǔn)PWM控制器384x完全兼容并具有間歇式低待機(jī)功能的“綠色電源”控制器，AP384xG。AP384xG與標(biāo)準(zhǔn)PWM控制器384x相比最明顯的差別在于其內(nèi)部增加了一個(gè)可控電流源，通過電流源充電提高PinCS的比較電平來實(shí)現(xiàn)輕載情況下的間歇式工作模式以降低待機(jī)功耗。同時(shí)，AP384xG還特別設(shè)計(jì)了低啟動(dòng)電流電路，使啟動(dòng)電流從典型的200uA降低至40uA，大大的降低了啟動(dòng)電阻上的損耗。

由于設(shè)計(jì)上的特別考量，AP384xG具備了與標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)的情況下，用AP384xG去替換384x同時(shí)調(diào)整極少數(shù)的電阻、電容參數(shù)，就可以大幅度地提高電源轉(zhuǎn)換效率(55%~65%)并減低待機(jī)功耗（3.25W~0.5W），順利通過“能源之星”的節(jié)能認(rèn)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(dòng)自行車充電電源等等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，迄今已銷售超過5千萬片，已為社會(huì)累計(jì)節(jié)約電能近1.3億千瓦時(shí)。

作為全球領(lǐng)先的手機(jī)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(yán)格五星級標(biāo)準(zhǔn)的超低待機(jī)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(nèi)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(chǎn)的第二代原邊控制器代表產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)上除了延續(xù)第一代產(chǎn)品的成功架構(gòu)，省去昂貴但可靠性低的外圍元件，實(shí)現(xiàn)高精度的輸出電壓/電流控制，保證系統(tǒng)量產(chǎn)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(diào)電纜補(bǔ)償功能，允許客戶通過一顆外接電阻值的調(diào)整實(shí)現(xiàn)任意電壓值的補(bǔ)償，以滿足不同線徑、長度輸出電纜的應(yīng)用。其專利的”Sub-μAStartup”技術(shù)和低工作電流是實(shí)現(xiàn)30mW超低待機(jī)功耗的技術(shù)保證。

圖2給出了AP3768的典型應(yīng)用線路和主要特性曲線。

a)應(yīng)用線路

b)輸出特性曲線

c)效率曲線

d)空載待機(jī)曲線

根據(jù)NOKIA公司的估計(jì)，如果全球30億只的手機(jī)充電器都能采用上述滿足五星級標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)30mW以下的待機(jī)功耗，每年可為社會(huì)節(jié)約電能近1.2萬億瓦時(shí)【5】。

參考文獻(xiàn)：
【1】王康，上海地區(qū)家用電器待機(jī)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(jī)能耗技術(shù)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(dǎo)體制造有限公司，AP3768產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊，www.bcdsemi.com
【5】NOKIA，“Charger Energy Rating”■