通過改進(jìn)轉(zhuǎn)換器設(shè)計來降低能耗(圖)

全球正越來越關(guān)注能耗問題。降低能耗有兩種方式，其中，節(jié)能需要個人/社會有意識的制定相關(guān)策略，而改進(jìn)能效則是一種純技術(shù)性的方式，對于終端用戶是透明的。

在美國使用的全部電能中大約有3%以熱量的形式損耗在能量轉(zhuǎn)換過程中。包括半導(dǎo)體公司、供電公司和終端產(chǎn)品制造商在內(nèi)的能源電子行業(yè)正努力通過提高能量轉(zhuǎn)換的效率，降低大量消費電子產(chǎn)品的待機(jī)功耗，將這種熱能損耗減少一半。

本文縱覽了電子產(chǎn)品的能量損耗情況，回顧了降低能耗的一些關(guān)鍵技術(shù)。如果這些技術(shù)得以推廣應(yīng)用，那么每年由于節(jié)能而帶來的潛在效益將達(dá)到600億美元。如果你是一位能源電子行業(yè)的專家，那么希望本文能夠給你帶來一些啟發(fā)。

能源現(xiàn)狀

當(dāng)前，美國排放的碳量達(dá)到了 2.75Gt/年，如果按照目前的趨勢持續(xù)下去，這一排放量將在2050年增長40%。電子工程師（尤其是能源工程師）在節(jié)能探索方面將大有作為。

在全美使用的電能中大約6%～10%是從交流電轉(zhuǎn)換為直流電的。通過提高電源的供電效率，全美消耗的電能可以節(jié)省1%～2%――這相當(dāng)于每年可節(jié)省30～60億美元。

住宅部分

美國的居民住宅每年大約消耗13000億千瓦時的電能。其中，17%的電能消耗在“插塞負(fù)荷”（plug loads）上，總量約為2210億千瓦時。將這一能耗進(jìn)行分解，其中IT產(chǎn)品消耗31.1%，娛樂消耗41.3%，其他活動消耗27.6%。

圖1 電子產(chǎn)品必須達(dá)到能效閾值才能獲得外部電源的能源之星標(biāo)志

近幾年，人們采取了很多措施提高公眾對節(jié)省電能問題的重視，世界上很多國家的政府都啟動了自愿的和強(qiáng)制的計劃，促進(jìn)企業(yè)設(shè)計更高效的電子產(chǎn)品，以更加負(fù)責(zé)任的態(tài)度使用電能。在美國最成功的一個例子就是“能源之星”，這是一項促進(jìn)研發(fā)更高效產(chǎn)品，鼓勵消費者購買這類產(chǎn)品的自愿性計劃。其方法是，調(diào)查現(xiàn)有產(chǎn)品的能耗情況，然后為這類產(chǎn)品設(shè)置一個必須達(dá)到的能耗閾值并給達(dá)標(biāo)的產(chǎn)品授予能源之星標(biāo)志。圖1給出了功率輸出小于200W的外部電源能效改進(jìn)有源模式，其中還包括沒有負(fù)載情況下的功耗準(zhǔn)則。

80 PLUS計劃

根據(jù)www.80plus.org網(wǎng)站所宣稱的，“80 PLUS計劃是一個獨特的論壇，它以極富創(chuàng)造力的工作聯(lián)合電子行業(yè)、計算機(jī)行業(yè)和消費者，將高能效的電源應(yīng)用到臺式電腦和服務(wù)器中。”80 PLUS的節(jié)能規(guī)范要求在20%、50%和80%的全負(fù)荷下，電源效率應(yīng)達(dá)80%以上，功率因數(shù)達(dá)到0.9以上。已經(jīng)有450多種臺式電腦的電源獲得了80 PLUS標(biāo)志。其他類似的節(jié)能規(guī)范遍及世界各地。

功率因數(shù)補(bǔ)償

按照80 PLUS節(jié)能規(guī)范，除了無負(fù)荷和有源模式下的性能，第三項節(jié)能指標(biāo)――功率因數(shù)――通常也很重要。在大多數(shù)國家中，對于連接市電輸入功率為75W以上的產(chǎn)品要求具有較低的輸入電流諧波。在開關(guān)式電源中，人們通常增加一個功率因數(shù)補(bǔ)償增強(qiáng)預(yù)調(diào)器，對輸入電流進(jìn)行整形，使之與輸入電壓相匹配，從而滿足這一節(jié)能指標(biāo)的要求。這種方式截斷了輸入諧波，因而減小了輸入電流的rms值，節(jié)省了電力公司生產(chǎn)無功功率的成本，減少了為了向電網(wǎng)提供更大電流而擴(kuò)大電力基礎(chǔ)設(shè)施的投資。

圖2 ON Semiconductor公司推出的80 PLUS參考設(shè)計是一個滿足大批量消費電子產(chǎn)品市場嚴(yán)格的低成本要求的高能效設(shè)計范例

功率電子產(chǎn)品設(shè)計者面臨的挑戰(zhàn)

為了應(yīng)對不斷發(fā)展的節(jié)能目標(biāo)帶來的挑戰(zhàn)，電源制造商協(xié)會（PSMA，www.psma.com）構(gòu)建出了一種交互式能源管理數(shù)據(jù)庫（energy regulation data base），用戶通過該數(shù)據(jù)庫能夠按區(qū)域、應(yīng)用、國家/地區(qū)或者機(jī)構(gòu)快速查詢其能源法規(guī)。這樣一來，設(shè)計人員就能夠很方便地掌握各種節(jié)能指標(biāo)的要求，進(jìn)而在設(shè)計過程中采取必要的節(jié)能手段。

基于能效的設(shè)計

可以想到的是，這些新型電源將在很大程度上依賴于半導(dǎo)體技術(shù)――二極管、開關(guān)晶體管和控制IC。半導(dǎo)體公司已經(jīng)意識到了提供兼容性產(chǎn)品的必要性。為便于推廣這些新型器件，通常針對特定的應(yīng)用推出一些參考設(shè)計，并且伴隨PCB的設(shè)計提供詳細(xì)的說明文檔。

在80 PLUS計劃剛剛出臺時，ON Semiconductor公司就推出了面向臺式電腦電源產(chǎn)品的一款GreenPoint參考設(shè)計，這是滿足80 PLUS節(jié)能指標(biāo)要求的第一個開放式設(shè)計。這一設(shè)計套件面向?qū)Υ烁信d趣的電源產(chǎn)品制造商免費提供，并且得到了廣泛應(yīng)用，以滿足高效節(jié)能指標(biāo)的要求。它是一個滿足大批量消費電子產(chǎn)品市場嚴(yán)格的低成本要求的高能效設(shè)計范例。該參考設(shè)計的的模塊圖如圖2所示。