優(yōu)化電源管理設(shè)計(jì)提高住宅用電效率

隨著新型消費(fèi)類產(chǎn)品的快速發(fā)展，我們可以肯定屋主將會(huì)不斷購置其他設(shè)備，譬如家庭娛樂系統(tǒng)以及有線或無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這些同樣會(huì)造成待機(jī)和空載功耗的浪費(fèi)。

據(jù)估計(jì)，電力生產(chǎn)過程中排放的二氧化碳量大約占到了全部二氧化碳排放量的40%。因此，如果電力需求能有所下降的話，減少全球變暖和促進(jìn)環(huán)境保護(hù)的工作就能取得重大進(jìn)展。新的研究已經(jīng)指出私人住宅的電力浪費(fèi)非常之大，甚至早在入住前就已產(chǎn)生。同時(shí)，設(shè)備設(shè)計(jì)師們正面臨不得不采取新的方法來設(shè)計(jì)出更節(jié)能產(chǎn)品的壓力，而一部分壓力則來自立法。

供暖、空調(diào)、照明、烹飪和制冷曾被認(rèn)為是私人住宅中首當(dāng)其沖的“耗能大戶”，并因此而備受關(guān)注。隨后的法規(guī)開始將重心轉(zhuǎn)移到環(huán)境溫度控制和熱水系統(tǒng)的建筑和隔熱保溫標(biāo)準(zhǔn)上來，特別是根據(jù)“能源之星”和其它節(jié)能及綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)建造的住宅。然而，能源浪費(fèi)的源頭不止這些，還有更多。

最危險(xiǎn)的電力消耗品往往是被忽略的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品看上去已經(jīng)關(guān)閉，但實(shí)際上，當(dāng)他們在待機(jī)空閑狀態(tài)時(shí)，卻仍在繼續(xù)消耗著電能。充電器(壁式)、DVD播放機(jī)、機(jī)頂盒和電視機(jī)都屬于此類產(chǎn)品。需要重申的是，由于近年來政府立法和計(jì)劃的重心開始放在設(shè)定最大空載和待機(jī)功耗限制上，因此設(shè)計(jì)這類產(chǎn)品的工程師們必須尋求新的解決方案來滿足這些法規(guī)的要求。

為了弄清私人住宅中那些形形色色的且不易辨識(shí)的消耗源消耗電力的真實(shí)本質(zhì)，相關(guān)機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行幾項(xiàng)新的研究，其中一項(xiàng)由加利福利亞的美國勞倫斯伯克力國家實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Berkeley NATIONAL Laboratory Berkeley)執(zhí)行，研究對(duì)象集中在加利福利亞十三家尚未入住的新住宅中的電器設(shè)備。

在本次研究中，對(duì)建房者安裝的所有家用電器在工作和待機(jī)兩種模式下均進(jìn)行了現(xiàn)場測試。結(jié)果顯示，這些未入住的新住宅的平均耗電量為800千瓦時(shí)/年，其中低功率模式下的設(shè)備耗電量占到了大約一半。平均低功率消耗(大約440千瓦時(shí)/年)轉(zhuǎn)換為大約50瓦的持續(xù)待機(jī)功率，這還是在沒有任何人入住的情況下！同時(shí)還應(yīng)該說明的是，有幾種電器的待機(jī)功耗比預(yù)期的高出許多：煤氣壁爐，5瓦；結(jié)構(gòu)化布線板/電源供電視頻攝像頭及一個(gè)寬帶路由器，20瓦；車庫門開門機(jī)，5.4瓦。


數(shù)字電視適配器(DTA)是新技術(shù)與政府法規(guī)之間相互作用的典型示例。到2009年2月，沒有接通有線電視或衛(wèi)星電視的美國住宅將需要大約3000萬臺(tái)數(shù)字電視適配器。目前，“能源之星”正在著手相關(guān)規(guī)范的制定，要求休眠模式下的功耗最多不超過1瓦，且在數(shù)小時(shí)處于不活動(dòng)狀態(tài)時(shí)強(qiáng)制進(jìn)入自動(dòng)斷電模式。

隨著全球變暖的公共意識(shí)日漸增強(qiáng)，世界各地的法規(guī)認(rèn)證機(jī)構(gòu)也正在完善更為嚴(yán)格的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。而且，各認(rèn)證機(jī)構(gòu)已開始將目光轉(zhuǎn)向全球性的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)制定上，而不再局限于個(gè)別地區(qū)和國家現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的拼拼湊湊。最突出的示例是關(guān)于外接電源(EPS)的標(biāo)準(zhǔn)：包括歐盟委員會(huì)、CECP(中國節(jié)能產(chǎn)品認(rèn)證中心)、澳大利亞GREEN Office以及KEMCO(韓國能源管理公司)在內(nèi)的眾多認(rèn)證機(jī)構(gòu)均計(jì)劃采用與“能源之星”和加州能源委員會(huì)(CEC)相同的標(biāo)準(zhǔn)。最后，一些機(jī)構(gòu)開始從起初的要求自愿遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)制推行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在美國，許多州一直效仿加州能源委員會(huì)，并已實(shí)施相關(guān)強(qiáng)制要求。

此外，外接電源規(guī)范也顯示了另一個(gè)重要的法規(guī)發(fā)展方向。除了要求低功率適配器有0.5瓦的最大空載功耗外，EPS規(guī)范還要求在寬負(fù)載范圍內(nèi)達(dá)到平均最低帶載模式效率，如下面的表1所示。

表1：能源之星/CEC外接電源效率規(guī)格



對(duì)于電源設(shè)計(jì)師來說，這些新要求則意味著，那些曾經(jīng)認(rèn)可的設(shè)計(jì)實(shí)踐在空載功率、待機(jī)功率以及整體電源效率方面已經(jīng)變得無法接受。在新的法規(guī)環(huán)境下，設(shè)計(jì)師們必須摒棄舊的設(shè)計(jì)習(xí)慣并采用新技術(shù)，以便滿足這些更為嚴(yán)苛的要求。

要想在節(jié)能方面取得如此大的改善確實(shí)是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。但好消息總是不期而至，近年來集成電路技術(shù)取得了重大進(jìn)展，使用這些技術(shù)設(shè)計(jì)的電源能夠在工作功率范圍內(nèi)持續(xù)高效率運(yùn)行，在待機(jī)模式下的功耗極低，而且不會(huì)帶來額外成本。

不久之前，許多電源(包括內(nèi)置電源和外接電源)還在使用帶線性穩(wěn)壓器的線性工頻變壓器。這一傳統(tǒng)方法幾乎不可能達(dá)到50%以上的功效，功率浪費(fèi)始終存在，甚至在空載條件下也是如此。不僅如此，由于近年來銅的價(jià)格一路上揚(yáng)，使得線性電源的成本優(yōu)勢喪失殆盡。其結(jié)果是，今天幾乎所有的新型電源都采用開關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)而成。

POWER Integrations正是功率轉(zhuǎn)換IC制造商之一，該公司于1998年推出了其EcoSmart技術(shù)，利用此項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)的開關(guān)電源能夠在待機(jī)和空載條件下以更高的效率進(jìn)行工作。通過集成，電源不再需要任何外部元件，這樣不僅能降低系統(tǒng)成本，還可以極大地提高可靠性。在采用POWER Integrations的EcoSmart技術(shù)設(shè)計(jì)的IC中，芯片上集成有電路，該電路可以檢測到電源處于低功率狀態(tài)(空載或待機(jī))。器件隨后會(huì)采取一個(gè)或多個(gè)步驟，以提高電源在此狀態(tài)下的效率。它會(huì)降低“占空比”，即限制對(duì)負(fù)載供電，并吸收更少的電流。其次，它會(huì)進(jìn)行“周期跳頻”，等待器件“醒來”，因而只在一個(gè)短暫周期內(nèi)使用電能。這樣不僅能有效降低電源的平均工作頻率，減小開關(guān)損耗，還可以在低功率條件下提高效率。

圖1所示為采用TinySwitch-III穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的電源，用來說明功率轉(zhuǎn)換芯片這一全新產(chǎn)品的作用。通過偏置繞組以及僅三個(gè)外部元件，即可將電路待機(jī)消耗從300mW大幅降至30mW。因此，只需支付1美分的額外元件成本即可每年節(jié)省27美分的能源消耗成本。圖2顯示該設(shè)計(jì)使整個(gè)功率工作范圍的效率性能達(dá)到驚人的一致，順應(yīng)了當(dāng)前節(jié)能效率規(guī)范的發(fā)展趨勢。



圖1：空載功耗低于30mW，帶偏置繞組。



圖2：不同負(fù)載模式下的工作效率。

曾經(jīng)提出的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)住宅“零電力消耗”，可通過太陽能光伏發(fā)電來滿足降低功率的需求。雖然智能建筑設(shè)計(jì)已經(jīng)大大改善了功耗情況，但由于其他各項(xiàng)功耗的增長，如開門機(jī)、監(jiān)控?cái)z像機(jī)以及其他產(chǎn)生能耗的產(chǎn)品，降低功耗仍然面臨著漫長的探索之路。因此，高效率的開關(guān)電源當(dāng)仁不讓地成為所有電子設(shè)備設(shè)計(jì)師的必然之選。以開關(guān)電源替代耗電的線性電源，工程師們設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可以輕松符合新的節(jié)能法規(guī)。