家用電器所面臨的功耗問題
——
加入技術(shù)交流群
眾所周知，許多家用電器在所謂的待機模式下會損耗大量的能量，例如，一臺電視機在待機模式下的能量損耗一般為4Wh(瓦時)，如果一臺電視每天工作3小時，其余21小時處于待機模式，則其每年的待機功耗將會達到30kWh！如果數(shù)百萬家庭，每個家庭擁有幾臺這樣的裝置的話，待機功耗將成為一個非常嚴(yán)重的問題。如果要求在不使用電器時拔掉插頭或切斷電源，又會為消費者帶來諸多不便，所以需要通過其它途徑解決這一問題。
在家用電器的待機功耗標(biāo)準(zhǔn)推出之前，集成電路制造商在支持低功耗模式方面沒有太大的積極性。而最新版的EU標(biāo)準(zhǔn)開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(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。未來的電器產(chǎn)品將會給出詳細的規(guī)格信息，為消費者采購提供幫助。本文介紹了幾個大功率損耗的來源，并提出了相應(yīng)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影響設(shè)備的整體效率，因此，即使采用最好的電源管理措施也無法彌補每個元器件的額外功耗。以低功耗創(chuàng)建高效系統(tǒng)的唯一途徑是嚴(yán)格檢測每個部件，低功耗設(shè)計可降低電源電流，使器件的自身損耗降到最小。
對于家用電器的供電電源和電源管理方案，開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器與線性穩(wěn)壓器相比能夠提供更高的效率，因此，我們主要考慮影響開關(guān)電源效率的主要因素。
頻率是影響效率的關(guān)鍵指標(biāo)，開關(guān)在每次通、斷過程中都將產(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，電管電路中的寄生元件在每次開關(guān)操作中都會以較高的電壓（峰值大約為170V）進行充電、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圈也會產(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，例如線圈之間交流電流的損耗、趨膚效應(yīng)等。其它產(chǎn)生損耗的原因還包括：不良的線圈耦合產(chǎn)生漏感，導(dǎo)致線圈原級和次級之間漏電。合理設(shè)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(yīng)該具有盡可能小的R dsON ，可能的話，還要盡量降低柵極驅(qū)動負載。電流檢測電阻的功耗應(yīng)盡可能低，一些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的PWM控制器IC，其檢流電阻的壓降會達到1V左右，而Maxim提供的開關(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保證較低的信噪比。如果電源工作在連續(xù)的脈寬調(diào)制模式下，則須采用低R dsON 的MOSFET替換電路中的續(xù)流二極管。
另外，一種稱為自適應(yīng)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)過串聯(lián)或并聯(lián)型穩(wěn)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電阻轉(zhuǎn)換成熱量損耗掉。
為了解決這一問題，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(dāng)電容或電池電壓較低時，比較器如同一個小的開關(guān)電源，將電壓恢復(fù)到其上限，這種方案可大大降低待機功耗。
Maxim的開關(guān)電壓控制器采用了類似的工作原理，控制器的輸出電壓與門限值進行比較，如果輸出電壓高于門限，控制器將保持休眠模式；如果低于門限，控制器將重新開啟開關(guān)工作模式，直到輸出電壓達到預(yù)置門限（圖1）。
PFM（脈沖頻率調(diào)制）系統(tǒng)的工作頻率是變化的，這會影響設(shè)備待機模式下的EMC。為了滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)，電子設(shè)備的電源管理子系統(tǒng)通常保持固定的開關(guān)頻率。對于這種情況，可以選擇Maxim具有空閑模式的開關(guān)電源，常規(guī)負載下工作在固定頻率，只是在輕載下（大約是滿負荷的30%）工作在PFM模式。圖2比較了具有空閑模式的轉(zhuǎn)換器效率和只能工作在PWM模式的轉(zhuǎn)換器效率。
工作模式
為了設(shè)計一個高效的電源管理系統(tǒng)，首先需要選擇適當(dāng)?shù)碾娫醇軜?gòu)。在設(shè)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(biāo)稱工作模式的電壓要求進行討論。
結(jié)論
目前，很少有消費者能夠獲得電器產(chǎn)品的效率指標(biāo)，家電產(chǎn)品也很少列出詳細的不同模式下的功耗指標(biāo)。新頒布的EU標(biāo)準(zhǔn)給出了詳細的規(guī)格，有助于用戶的選擇。由于該標(biāo)準(zhǔn)同樣會引導(dǎo)IC制造商公布其集成電路的相關(guān)指標(biāo)，可以創(chuàng)造良好的設(shè)計環(huán)境。
評論