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，從而導致低效的產(chǎn)品設計。 

眾所周知，許多家用電器在所謂的待機模式下會(huì )損耗大量的能量，例如，一臺電視機在待機模式下的能量損耗一般為4Wh(瓦時(shí))，如果一臺電視每天工作3小時(shí)，其余21小時(shí)處于待機模式，則其每年的待機功耗將會(huì )達到30kWh！如果數百萬(wàn)家庭，每個(gè)家庭擁有幾臺這樣的裝置的話(huà)，待機功耗將成為一個(gè)非常嚴重的問(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。 

在家用電器的待機功耗標準推出之前，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標準開(kāi)始鼓勵制造商提高產(chǎn)品的能效，其他國家也在考慮制訂相應的標準。未來(lái)的電器產(chǎn)品將會(huì )給出詳細的規格信息，為消費者采購提供幫助。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)法彌補每個(gè)元器件的額外功耗。以低功耗創(chuàng )建高效系統的唯一途徑是嚴格檢測每個(gè)部件，低功耗設計可降低電源電流，使器件的自身?yè)p耗降到最小。 

對于家用電器的供電電源和電源管理方案，開(kāi)關(guān)模式電源轉換器與線(xiàn)性穩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，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(zhù)，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(xiàn)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，變壓器次級也存在損耗，例如線(xiàn)圈之間交流電流的損耗、趨膚效應等。其它產(chǎn)生損耗的原因還包括：不良的線(xiàn)圈耦合產(chǎn)生漏感，導致線(xiàn)圈原級和次級之間漏電。合理設計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應該具有盡可能小的R dsON ，可能的話(huà)，還要盡量降低柵極驅動(dòng)負載。電流檢測電阻的功耗應盡可能低，一些工業(yè)標準的PWM控制器IC，其檢流電阻的壓降會(huì )達到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的脈寬調制模式下，則須采用低R dsON 的MOSFET替換電路中的續流二極管。 

另外，一種稱(chēng)為自適應電壓定位（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。 

待機模式 

待機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)電阻轉換成熱量損耗掉。 

為了解決這一問(wèn)題，可以使用儲能電容或可充電電池為IR接收器和滯回比較器供電。當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，將電壓恢復到其上限，這種方案可大大降低待機功耗。 

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





PFM（脈沖頻率調制）系統的工作頻率是變化的，這會(huì )影響設備待機模式下的EMC。為了滿(mǎn)足EMC標準，電子設備的電源管理子系統通常保持固定的開(kāi)關(guān)頻率。對于這種情況，可以選擇Maxim具有空閑模式的開(kāi)關(guān)電源，常規負載下工作在固定頻率，只是在輕載下（大約是滿(mǎn)負荷的30%）工作在PFM模式。圖2比較了具有空閑模式的轉換器效率和只能工作在PWM模式的轉換器效率。 



 

工作模式 

為了設計一個(gè)高效的電源管理系統，首先需要選擇適當的電源架構。在設計產(chǎn)生各路電源之前需要了解對電源電壓的具體要求：電壓容限、負載范圍等。例如，電視機需要多種電源電壓，最好采用能夠提供多路輸出的電源。本文不對標稱(chēng)工作模式的電壓要求進(jìn)行討論。 

結論 

目前，很少有消費者能夠獲得電器產(chǎn)品的效率指標，家電產(chǎn)品也很少列出詳細的不同模式下的功耗指標。新頒布的EU標準給出了詳細的規格，有助于用戶(hù)的選擇。由于該標準同樣會(huì )引導IC制造商公布其集成電路的相關(guān)指標，可以創(chuàng )造良好的設計環(huán)境。