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          電源電子技術(shù)在降低能耗中的角色

          作者: 時(shí)間:2008-04-15 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          全世界對(duì)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(jié)省需要個(gè)人的自覺性加社會(huì)決策,而能效提升就純粹是一個(gè)技術(shù)問題。美國使用的電能中的3%在電子轉(zhuǎn)換過程中耗散為熱量。因此電子產(chǎn)業(yè),包括半導(dǎo)體公司、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(fèi)電子產(chǎn)品中的電源轉(zhuǎn)換效率并待機(jī)。當(dāng)然,減少這些損耗不是最終目的,實(shí)現(xiàn)更高系統(tǒng)性能和更低成本才是真正的目標(biāo)。


          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(yīng)用這些技術(shù),潛在的能源支出將節(jié)省達(dá)到每年600億美元。如果你是電源電子產(chǎn)業(yè)的專才,這就是你躋身“綠領(lǐng)”的機(jī)會(huì)。

          一些實(shí)據(jù)


          如今,美國每年的碳排放量是27.5億噸。如果延續(xù)當(dāng)前的軌跡,到2050年將增加超過40%。這排放的一大來源便是烘烤和烹調(diào)系統(tǒng)、照明、電器和電子設(shè)備中所使用的電力。電源電子工程師在保護(hù)地球?qū)氋F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(yīng)用中的6%~10%是在電源從交流(AC)轉(zhuǎn)換到直流(DC)。


          2 由于現(xiàn)有電源效率欠佳,美國所有電力消耗的3%~4%是在電源內(nèi)部消耗的。

          圖1 一個(gè)美國典型家庭中不同插頭負(fù)載的電能消耗比例


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


          上述分析提供了電源轉(zhuǎn)換機(jī)會(huì)的寬泛估計(jì),但缺乏必要的詳細(xì)數(shù)據(jù),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(dá)13000億kWh。其中,17%來自“插頭負(fù)載(plug load)”,耗電量達(dá)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(jì)算IT和娛樂產(chǎn)品的話,其電能消耗就是1 600億kWh。按照每0.1美元/kWh計(jì)算,每年的電能支出就是160億美元。將這些用電設(shè)備的效率提升20%(務(wù)實(shí)的目標(biāo)),就能夠節(jié)省32億美元,可與早前30~60億美元的數(shù)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)來自辦公設(shè)備。假設(shè)辦公設(shè)備的電能消耗能夠15%,潛在的電能節(jié)省達(dá)166億kWh,以0.10美元/kWh計(jì)算,就接近17億美元。

          將不同部分的節(jié)省潛能相加


          對(duì)于美國而言,如果提升常見電子產(chǎn)品的電源效率,結(jié)合住宅和商業(yè)用電部分能夠節(jié)省總額達(dá)49億美元的電能開支。更高效的產(chǎn)品工作模式設(shè)計(jì)所帶來的節(jié)省還能夠產(chǎn)生更多的效益。


          功率是如何損耗的,針對(duì)功率損耗采取了什么措施


          在電子設(shè)備,功率損耗分為兩部分,分別是待機(jī)損耗和工作損耗。待機(jī)損耗在設(shè)備(計(jì)算機(jī)、電池充電器、電視機(jī)等)關(guān)閉時(shí)出現(xiàn),這時(shí)設(shè)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(zhuǎn)換階段的低效所導(dǎo)致。在家庭應(yīng)用中,待機(jī)損耗預(yù)計(jì)占到總損耗的25%,而工作損耗占余下的75%。


          近年來,所做的很多工作都旨在提升公眾對(duì)電能節(jié)省的興趣,而世界各國政府啟動(dòng)了很多自愿性和強(qiáng)制性的項(xiàng)目來促進(jìn)更高效產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(xiàng)目,旨在推廣更高效的產(chǎn)品,并鼓勵(lì)消費(fèi)者來購買這些產(chǎn)品?!澳茉粗恰表?xiàng)目的基本途徑是調(diào)查現(xiàn)有產(chǎn)品,并設(shè)定一個(gè)產(chǎn)品要獲得ENERGY STAR標(biāo)簽所必須符合的閾值,如圖2所示。

          圖2 獲得針對(duì)外置電源的ENERGY STAR標(biāo)簽。

          另外一個(gè)例子:80 PLUS計(jì)劃


          如http://www.80plus.org/網(wǎng)站上所述,“80 PLUS計(jì)劃是一個(gè)開創(chuàng)的平臺(tái),聯(lián)合電力公用機(jī)構(gòu)、計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)和消費(fèi)者,在計(jì)算機(jī)和服務(wù)器應(yīng)用中,以突破性的方法來推廣高能效電源?!边@規(guī)范要求在滿載的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(shù)。這個(gè)計(jì)劃啟動(dòng)于2004年,由美國的Ecos Consulting管理。如今,超過450款臺(tái)式電腦電源已經(jīng)獲得80 PLUS標(biāo)簽認(rèn)證。此后世界各地出現(xiàn)了越來越多的類似規(guī)范。

          功率因數(shù)校正


          除了低待機(jī)和高工作效率,第三個(gè)要求――高功率因數(shù),通常也非常重要,80 PLUS規(guī)范對(duì)此就有要求。在大多數(shù)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。在開關(guān)電源中,這個(gè)要求通常以增加功率因數(shù)校正(PFC)升壓預(yù)穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn)。這種升壓預(yù)穩(wěn)壓器改變輸入電流,來匹配輸入電壓。這就將輸入諧波減到最少,并了輸入電流的均方根(rms)值。這就節(jié)省了電力公司生產(chǎn)無功功率的成本,并將電力基礎(chǔ)設(shè)施高昂的擴(kuò)展成本減到最小,為電網(wǎng)提供更大的電流。

          電源電子設(shè)計(jì)人員面對(duì)的三重挑戰(zhàn)


          在待機(jī)和工作效率要求之外再增加PFC要求,就構(gòu)成了當(dāng)今節(jié)能型電源轉(zhuǎn)換的景象。如今的電子產(chǎn)品包括電源的設(shè)計(jì)人員,必須洞悉這三項(xiàng)要求,并且隨時(shí)準(zhǔn)備在設(shè)計(jì)的時(shí)候?qū)⑵淇紤]在內(nèi)。僅就清楚這三項(xiàng)要求而言就是一項(xiàng)挑戰(zhàn),因?yàn)槭澜绺鞯貒@這些要求的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)正不斷涌現(xiàn)。


          為了符合這些不斷演進(jìn)的要求所面對(duì)的挑戰(zhàn),電源管理制造商協(xié)會(huì)(PSMA),www.psma.com,已經(jīng)開發(fā)出一個(gè)交互式能量規(guī)范數(shù)據(jù)庫,方便電源設(shè)計(jì)人員快速地瀏覽不同地區(qū)、應(yīng)用、國家或機(jī)構(gòu)的規(guī)范。如今,隨著不同規(guī)范易于獲知,設(shè)計(jì)人員已經(jīng)準(zhǔn)備好為拯救地球展開工作!

          電源能效設(shè)計(jì)


          我們可以想象,新的電源高度依賴于半導(dǎo)體――二極管、開關(guān)晶體管和控制IC――這些器件讓電源設(shè)計(jì)人員能夠設(shè)計(jì)出高能效的電源轉(zhuǎn)換電路。半導(dǎo)體公司共同支持此項(xiàng)事業(yè),設(shè)計(jì)出具有低待機(jī)能耗、高效電源轉(zhuǎn)換和功率因數(shù)校正的產(chǎn)品。為推動(dòng)采用這些新器件,推出“參考設(shè)計(jì)”針對(duì)特定應(yīng)用,而這些參考設(shè)計(jì)通常伴隨有工作電路板版本的設(shè)計(jì),并備有完整文檔。設(shè)計(jì)人員能夠測(cè)試參考電路板、針對(duì)具體應(yīng)用進(jìn)行修改,并以最短的時(shí)間和最低的風(fēng)險(xiǎn)得到最終設(shè)計(jì)。


          當(dāng)80 PLUS最初開始出現(xiàn)時(shí),安森美半導(dǎo)體推出了用于臺(tái)式電及的其中一款GreenPoint參考設(shè)計(jì),而它是第一款符合嚴(yán)格的80 PLUS要求的公開參考設(shè)計(jì)。這參考設(shè)計(jì)套件免費(fèi)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(shè)計(jì)符合大批量消費(fèi)產(chǎn)品市場(chǎng)嚴(yán)格的低成本要求的一項(xiàng)明證。



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