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，能源節省需要個(gè)人的自覺(jué)性加社會(huì )決策，而能效提升就純粹是一個(gè)技術(shù)問(wèn)題。美國使用的電能中的3%在電子電源轉換過(guò)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(shí)現更高系統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省達到每年600億美元。如果你是電源電子產(chǎn)業(yè)的專(zhuān)才，這就是你躋身“綠領(lǐng)”的機會(huì )。

一些實(shí)據

如今，美國每年的碳排放量是27.5億噸。如果延續當前的軌跡，到2050年將增加超過(guò)40%。這排放的一大來(lái)源便是烘烤和烹調系統、照明、電器和電子設備中所使用的電力。電源電子工程師在保護地球寶貴的資源中能夠發(fā)揮重要的作用。下面是一個(gè)簡(jiǎn)要分析。

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

2 由于現有電源效率欠佳，美國所有電力消耗的3%～4%是在電源內部消耗的。

圖1 一個(gè)美國典型家庭中不同插頭負載的電能消耗比例

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

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

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(lái)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(lè )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(lè )產(chǎn)品的話(huà)，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。將這些用電設備的效率提升20%(務(wù)實(shí)的目標)，就能夠節省32億美元，可與早前30～60億美元的數字相比，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(lái)自辦公設備。假設辦公設備的電能消耗能夠降低15%，潛在的電能節省達166億kWh，以0.10美元/kWh計算，就接近17億美元。

將不同部分的節省潛能相加

對于美國而言，如果提升常見(jiàn)電子產(chǎn)品的電源效率，結合住宅和商業(yè)用電部分能夠節省總額達49億美元的電能開(kāi)支。更高效的產(chǎn)品工作模式設計所帶來(lái)的節省還能夠產(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。待機損耗在設備(計算機、電池充電器、電視機等)關(guān)閉時(shí)出現，這時(shí)設備仍在消耗功率；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(lái)，所做的很多工作都旨在提升公眾對電能節省的興趣，而世界各國政府啟動(dòng)了很多自愿性和強制性的項目來(lái)促進(jìn)更高效產(chǎn)品的設計和電能更被善用。在美國，最成功的一個(gè)例子就是“能源之星”(ENERGY STAR)，這是一個(gè)自愿性項目，旨在推廣更高效的產(chǎn)品，并鼓勵消費者來(lái)購買(mǎi)這些產(chǎn)品?！澳茉粗恰表椖康幕就緩绞钦{查現有產(chǎn)品，并設定一個(gè)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(gè)例子：80 PLUS計劃

如http://www.80plus.org/網(wǎng)站上所述，“80 PLUS計劃是一個(gè)開(kāi)創(chuàng )的平臺，聯(lián)合電力公用機構、計算機產(chǎn)業(yè)和消費者，在計算機和服務(wù)器應用中，以突破性的方法來(lái)推廣高能效電源?！边@規范要求在滿(mǎn)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。這個(gè)計劃啟動(dòng)于2004年，由美國的Ecos Consulting管理。如今，超過(guò)450款臺式電腦電源已經(jīng)獲得80 PLUS標簽認證。此后世界各地出現了越來(lái)越多的類(lèi)似規范。

功率因數校正

除了低待機能耗和高工作效率，第三個(gè)要求――高功率因數，通常也非常重要，80 PLUS規范對此就有要求。在大多數國家，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(kāi)關(guān)電源中，這個(gè)要求通常以增加功率因數校正(PFC)升壓預穩壓器來(lái)實(shí)現。這種升壓預穩壓器改變輸入電流，來(lái)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。這就節省了電力公司生產(chǎn)無(wú)功功率的成本，并將電力基礎設施高昂的擴展成本減到最小，為電網(wǎng)提供更大的電流。

電源電子設計人員面對的三重挑戰

在待機能耗和工作效率要求之外再增加PFC要求，就構成了當今節能型電源轉換的景象。如今的電子產(chǎn)品包括電源的設計人員，必須洞悉這三項要求，并且隨時(shí)準備在設計的時(shí)候將其考慮在內。僅就清楚這三項要求而言就是一項挑戰，因為世界各地圍繞這些要求的規范標準正不斷涌現。

為了符合這些不斷演進(jìn)的要求所面對的挑戰，電源管理制造商協(xié)會(huì )(PSMA)，www.psma.com，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一個(gè)交互式能量規范數據庫，方便電源設計人員快速地瀏覽不同地區、應用、國家或機構的規范。如今，隨著(zhù)不同規范易于獲知，設計人員已經(jīng)準備好為拯救地球展開(kāi)工作！

電源能效設計

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

當80 PLUS最初開(kāi)始出現時(shí)，安森美半導體推出了用于臺式電及的其中一款GreenPoint參考設計，而它是第一款符合嚴格的80 PLUS要求的公開(kāi)參考設計。這參考設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。這是高能效設計符合大批量消費產(chǎn)品市場(chǎng)嚴格的低成本要求的一項明證。