家用電器所面臨的功耗問(wèn)題

電池供電產(chǎn)品要求高效、小尺寸、低成本，而交流供電（100V、120V或230V）產(chǎn)品則過(guò)度關(guān)注低成本的需求，從而導(dǎo)致低效的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。 

眾所周知，許多家用電器在所謂的待機(jī)模式下會(huì)損耗大量的能量，例如，一臺(tái)電視機(jī)在待機(jī)模式下的能量損耗一般為4Wh(瓦時(shí))，如果一臺(tái)電視每天工作3小時(shí)，其余21小時(shí)處于待機(jī)模式，則其每年的待機(jī)功耗將會(huì)達(dá)到30kWh！如果數(shù)百萬(wàn)家庭，每個(gè)家庭擁有幾臺(tái)這樣的裝置的話，待機(jī)功耗將成為一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題。如果要求在不使用電器時(shí)拔掉插頭或切斷電源，又會(huì)為消費(fèi)者帶來(lái)諸多不便，所以需要通過(guò)其它途徑解決這一問(wèn)題。 

在家用電器的待機(jī)功耗標(biāo)準(zhǔn)推出之前，集成電路制造商在支持低功耗模式方面沒(méi)有太大的積極性。而最新版的EU標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始鼓勵(lì)制造商提高產(chǎn)品的能效，其他國(guó)家也在考慮制訂相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。未來(lái)的電器產(chǎn)品將會(huì)給出詳細(xì)的規(guī)格信息，為消費(fèi)者采購(gòu)提供幫助。本文介紹了幾個(gè)大功率損耗的來(lái)源，并提出了相應(yīng)的解決方法。 

影響效率的因素 

由于任何電子元器件消耗的電流都會(huì)影響設(shè)備的整體效率，因此，即使采用最好的電源管理措施也無(wú)法彌補(bǔ)每個(gè)元器件的額外功耗。以低功耗創(chuàng)建高效系統(tǒng)的唯一途徑是嚴(yán)格檢測(cè)每個(gè)部件，低功耗設(shè)計(jì)可降低電源電流，使器件的自身?yè)p耗降到最小。 

對(duì)于家用電器的供電電源和電源管理方案，開(kāi)關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器與線性穩(wěn)壓器相比能夠提供更高的效率，因此，我們主要考慮影響開(kāi)關(guān)電源效率的主要因素。 

頻率是影響效率的關(guān)鍵指標(biāo)，開(kāi)關(guān)在每次通、斷過(guò)程中都將產(chǎn)生損耗，頻率越高損耗越大。這種損耗在主電源中非常顯著，電管電路中的寄生元件在每次開(kāi)關(guān)操作中都會(huì)以較高的電壓（峰值大約為170V）進(jìn)行充電、放電。與電池供電產(chǎn)品(頻率高達(dá)500kHz)相比，家電產(chǎn)品中的主電源可以工作在較低頻率(如100kHz)，以獲得高效率。 

變壓器的磁芯材料以及繞組線圈也會(huì)產(chǎn)生功耗，磁芯損耗與頻率和作用在電感上的電壓成正比，變壓器次級(jí)也存在損耗，例如線圈之間交流電流的損耗、趨膚效應(yīng)等。其它產(chǎn)生損耗的原因還包括：不良的線圈耦合產(chǎn)生漏感，導(dǎo)致線圈原級(jí)和次級(jí)之間漏電。合理設(shè)計(jì)繞組有助于降低漏感。 

電阻損耗也是需要考慮的因素，電路中的MOSFET應(yīng)該具有盡可能小的R dsON ，可能的話，還要盡量降低柵極驅(qū)動(dòng)負(fù)載。電流檢測(cè)電阻的功耗應(yīng)盡可能低，一些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的PWM控制器IC，其檢流電阻的壓降會(huì)達(dá)到1V左右，而Maxim提供的開(kāi)關(guān)電源控制器（如MAX5094C）的檢流電阻輸入壓降只有300 mV，能夠在降低功耗的同時(shí)保證較低的信噪比。如果電源工作在連續(xù)的脈寬調(diào)制模式下，則須采用低R dsON 的MOSFET替換電路中的續(xù)流二極管。 

另外，一種稱為自適應(yīng)電壓定位（adaptive voltage positioning）的新技術(shù)在重載下將輸出電壓保持在最低工作電壓，可大大降低微處理器的功耗。 

待機(jī)模式 

待機(jī)模式通常由紅外遙控接收器控制，接收器電源通常是將主電源分壓后經(jīng)過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)型穩(wěn)壓源獲得。由于接收器工作在較低電壓，較大的輸入輸出電壓差將通過(guò)電阻轉(zhuǎn)換成熱量損耗掉。 

為了解決這一問(wèn)題，可以使用儲(chǔ)能電容或可充電電池為IR接收器和滯回比較器供電。當(dāng)電容或電池電壓較低時(shí)，比較器如同一個(gè)小的開(kāi)關(guān)電源，將電壓恢復(fù)到其上限，這種方案可大大降低待機(jī)功耗。 

Maxim的開(kāi)關(guān)電壓控制器采用了類似的工作原理，控制器的輸出電壓與門限值進(jìn)行比較，如果輸出電壓高于門限，控制器將保持休眠模式；如果低于門限，控制器將重新開(kāi)啟開(kāi)關(guān)工作模式，直到輸出電壓達(dá)到預(yù)置門限（圖1）。 





PFM（脈沖頻率調(diào)制）系統(tǒng)的工作頻率是變化的，這會(huì)影響設(shè)備待機(jī)模式下的EMC。為了滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)，電子設(shè)備的電源管理子系統(tǒng)通常保持固定的開(kāi)關(guān)頻率。對(duì)于這種情況，可以選擇Maxim具有空閑模式的開(kāi)關(guān)電源，常規(guī)負(fù)載下工作在固定頻率，只是在輕載下（大約是滿負(fù)荷的30%）工作在PFM模式。圖2比較了具有空閑模式的轉(zhuǎn)換器效率和只能工作在PWM模式的轉(zhuǎn)換器效率。 



 

工作模式 

為了設(shè)計(jì)一個(gè)高效的電源管理系統(tǒng)，首先需要選擇適當(dāng)?shù)碾娫醇軜?gòu)。在設(shè)計(jì)產(chǎn)生各路電源之前需要了解對(duì)電源電壓的具體要求：電壓容限、負(fù)載范圍等。例如，電視機(jī)需要多種電源電壓，最好采用能夠提供多路輸出的電源。本文不對(duì)標(biāo)稱工作模式的電壓要求進(jìn)行討論。 

結(jié)論 

目前，很少有消費(fèi)者能夠獲得電器產(chǎn)品的效率指標(biāo)，家電產(chǎn)品也很少列出詳細(xì)的不同模式下的功耗指標(biāo)。新頒布的EU標(biāo)準(zhǔn)給出了詳細(xì)的規(guī)格，有助于用戶的選擇。由于該標(biāo)準(zhǔn)同樣會(huì)引導(dǎo)IC制造商公布其集成電路的相關(guān)指標(biāo)，可以創(chuàng)造良好的設(shè)計(jì)環(huán)境。