優(yōu)化電源設(shè)計(jì)滿足最低能效標(biāo)準(zhǔn)

據(jù)估計(jì)，僅美國(guó)一個(gè)國(guó)家，正在使用的電子產(chǎn)品數(shù)量就達(dá)到25億件，而每年又有4～5億個(gè)新電源售出，所以改善電源效率對(duì)于能源效率達(dá)標(biāo)、降低對(duì)全球能源的壓力以及緩解技術(shù)應(yīng)用對(duì)環(huán)境的不利影響都是至關(guān)重要的。但是，由于電源的安裝啟用或選擇通常處于整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程的后期，所以優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)用設(shè)計(jì)的時(shí)間很短，采購(gòu)成本方面的選擇余地也不大。由于技術(shù)的不斷進(jìn)步以及推薦性和強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的推出，電源的能效正在不斷提高。

需求

在經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)以及人口不斷擴(kuò)張等因素的共同作用下，2005－2030年之間，世界能源消耗增長(zhǎng)預(yù)計(jì)將高達(dá)50%，這就相當(dāng)于從2005年的462×1015BTU猛增至2030年的695×1015BTU（來(lái)源：美國(guó)能源信息管理局）。

數(shù)量如此巨大的能源消耗超出了自然界的承受范圍，并且會(huì)對(duì)環(huán)境以及全球居民的生活產(chǎn)生越來(lái)越大的影響，因?yàn)閷?duì)于能量需求增加的傳統(tǒng)解決方法是通過(guò)建造更多以煤炭、天然氣、核能和石油為燃料的電廠來(lái)增加供電量。盡管針對(duì)水電、生物燃料、風(fēng)能和太陽(yáng)能等形式的可再生能源的研究開發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展，但我們對(duì)于化石燃料的依賴性意味著我們必須要大幅提高能效；這體現(xiàn)在兩個(gè)方面：我們使用電氣產(chǎn)品的方式以及它們固有的能源效率。

倡議活動(dòng)

根據(jù)美國(guó)節(jié)能經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（ACEEE）的分析，在美國(guó)，預(yù)計(jì)節(jié)能倡議活動(dòng)可以將能源消費(fèi)降低10.6×1015BTU，大致相當(dāng)于美國(guó)2020年預(yù)計(jì)能源使用量的10%。

像“能源之星”這樣的倡議活動(dòng)已經(jīng)取得了很大成功，目前用于對(duì)大約60種不同類別的達(dá)標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)識(shí)。世界許多國(guó)家都在通過(guò)獲得“能源之星”的認(rèn)證來(lái)協(xié)調(diào)能源效率指導(dǎo)方針。到目前為止，歐洲、中國(guó)和澳大利亞都已簽署協(xié)議認(rèn)可這項(xiàng)倡議活動(dòng)。

有些國(guó)家逐步落實(shí)更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，以促進(jìn)持續(xù)的改善。例如，日本的“領(lǐng)跑者”計(jì)劃首先確定出市場(chǎng)上各類產(chǎn)品中能效最高的產(chǎn)品，然后要求所有競(jìng)爭(zhēng)品牌在4?6年內(nèi)提高產(chǎn)品能效。沒(méi)有達(dá)到能效標(biāo)準(zhǔn)的公司將面臨經(jīng)濟(jì)處罰。世界各國(guó)制定的所有相關(guān)規(guī)定，無(wú)論是強(qiáng)制性的還是推薦性的，都將電源在待機(jī)模式和使用模式中導(dǎo)致的能源浪費(fèi)作為重點(diǎn)改善目標(biāo)。

電源的類型和選擇

電子設(shè)備的電源可以大致分為線性電源和開關(guān)電源（SMPS）：線性電源的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，而SMPS則更加復(fù)雜。線性電源的典型效率值在40%～55%之間，而SMPS則可以實(shí)現(xiàn)高得多的效率標(biāo)稱值，在60%～95%之間。

如果僅考慮能效方面的對(duì)比，同時(shí)設(shè)計(jì)人員希望使他們開發(fā)的新產(chǎn)品達(dá)到推薦性或者強(qiáng)制性的標(biāo)準(zhǔn)，顯然SMPS是最好的選擇。不過(guò)，另外兩項(xiàng)因素可能會(huì)影響到電源的選用。

與線性電源相比，SMPS更為復(fù)雜，這通常意味著物料費(fèi)用也更高。同時(shí)，在某些布局中所使用的更先進(jìn)、效率更高而容差更小的元件往往要比普通性能元件更為昂貴。線性電源的設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單，但它要使用像鐵芯變壓器這樣的元件，需要大量的銅制線圈——這可能會(huì)影響到成本?？偟膩?lái)說(shuō)，SMPS所增加的成本是有限的，有時(shí)要低于效率低的線性電源的增量成本。

為了促進(jìn)更為節(jié)能的SMPS方法的廣泛應(yīng)用，要使其成本接近或低于線性電源的成本，這一點(diǎn)十分重要。這是因?yàn)?，?dāng)用戶最終面對(duì)兩款具有相同性能的產(chǎn)品時(shí)，他們往往會(huì)選擇成本更低的那一款。同時(shí)消費(fèi)者的環(huán)境意識(shí)不斷增強(qiáng)，并開始考慮總體購(gòu)置成本——即初始購(gòu)置成本以及產(chǎn)品在整個(gè)生命周期中的能源成本——這種概念已經(jīng)在慢慢深入人心。

線性電源通常比SMPS更大、更重。相對(duì)于將電源功能集成到產(chǎn)品外殼之中的設(shè)計(jì)而言，外部電源的設(shè)計(jì)方式受到這一問(wèn)題的影響較小。在電源功能的集成設(shè)計(jì)方式中，線性電源不僅占用了寶貴的空間，而且因?yàn)槠漭^低的效率，它所產(chǎn)生的大量廢熱必須進(jìn)行散熱管理，以便確保設(shè)備具有較長(zhǎng)的使用壽命和可靠性。如果目標(biāo)設(shè)備希望設(shè)計(jì)成便攜式的，那么較重的電源也會(huì)帶來(lái)問(wèn)題。

效率更高、體積更小而重量更輕的SMPS代表了技術(shù)發(fā)展的潮流。在先進(jìn)的集成式AC/DC控制器和整流器設(shè)備的支持下，就可以實(shí)現(xiàn)支持低成本、高效率的SMPS設(shè)計(jì)的新布局。

許多與SMPS相關(guān)的損耗都與開關(guān)過(guò)程有關(guān)。像半電橋和全電橋這樣的軟開關(guān)技術(shù)和布局可以克服這些損耗。除了改善效率之外，這些布局還幫助提高電源轉(zhuǎn)換器密度（以W/in.3為單位）——這是許多新型產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵需求。以前只用于大功率應(yīng)用（例如，500W或1kW）的布局，由于它們可以對(duì)效率和電源密度產(chǎn)生影響，目前正逐步被中等功率或小功率應(yīng)用（例如，100W）所采納。

參考設(shè)計(jì)

像安森美半導(dǎo)體的“綠點(diǎn)”（見圖1）這樣的參考設(shè)計(jì)為制造商提供了“交鑰匙”解決方案，它能夠達(dá)到或超出許多應(yīng)用中的最低能效標(biāo)準(zhǔn)，例如臺(tái)式計(jì)算機(jī)、機(jī)頂盒、筆記本AC/DC適配器和液晶電視。通過(guò)提供簡(jiǎn)化高能效產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工具，就能夠加快大多數(shù)電子產(chǎn)品的能效水平提升（達(dá)到80%或90%這個(gè)范圍）進(jìn)程。據(jù)估計(jì)，采用“綠點(diǎn)”這樣的參考設(shè)計(jì)方法，可以使家用產(chǎn)品的效率提升20%，而辦公室設(shè)備產(chǎn)品的效率可提高15%。

圖1 安森美半導(dǎo)體的“綠點(diǎn)”參考設(shè)計(jì)

高效率的SMPS可以顯著增加電子設(shè)備的效率。由于SMPS和線性電源的成本大致相同，這為顯著提高眾多類型產(chǎn)品的效率帶來(lái)了巨大機(jī)會(huì)。這將會(huì)幫助設(shè)備生產(chǎn)商達(dá)到甚至超出推薦性的能效標(biāo)準(zhǔn)以及逐步普及的強(qiáng)制性能效標(biāo)準(zhǔn)。電子產(chǎn)品裝置使用量的攀升和能源可持續(xù)性之間存在矛盾，這意味著我們必須要謀求變化，而顯著改善電源效率將在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的過(guò)程中發(fā)揮重要作用。