優(yōu)化電源管理設計提高住宅用電效率

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

據(jù)估計，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環(huán)境保護的工作就能取得重大進展。新的研究已經(jīng)指出私人住宅的電力浪費非常之大，甚至早在入住前就已產(chǎn)生。同時，設備設計師們正面臨不得不采取新的方法來設計出更節(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、烹飪和制冷曾被認為是私人住宅中首當其沖的“耗能大戶”，并因此而備受關注。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準上來，特別是根據(jù)“能源之星”和其它節(jié)能及綠色建筑標準建造的住宅。然而，能源浪費的源頭不止這些，還有更多。

最危險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)關閉，但實際上，當他們在待機空閑狀態(tài)時，卻仍在繼續(xù)消耗著電能。充電器(壁式)、DVD播放機、機頂盒和電視機都屬于此類產(chǎn)品。需要重申的是，由于近年來政府立法和計劃的重心開始放在設定最大空載和待機功耗限制上，因此設計這類產(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的消耗源消耗電力的真實本質(zhì)，相關機構(gòu)正在進行幾項新的研究，其中一項由加利福利亞的美國勞倫斯伯克力國家實驗室(Lawrence Berkeley NATIONAL Laboratory Berkeley)執(zhí)行，研究對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備。

在本次研究中，對建房者安裝的所有家用電器在工作和待機兩種模式下均進行了現(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/年，其中低功率模式下的設備耗電量占到了大約一半。平均低功率消耗(大約440千瓦時/年)轉(zhuǎn)換為大約50瓦的持續(xù)待機功率，這還是在沒有任何人入住的情況下！同時還應該說明的是，有幾種電器的待機功耗比預期的高出許多：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寬帶路由器，20瓦；車庫門開門機，5.4瓦。


數(shù)字電視適配器(DTA)是新技術與政府法規(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3000萬臺數(shù)字電視適配器。目前，“能源之星”正在著手相關規(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)小時處于不活動狀態(tài)時強制進入自動斷電模式。

隨著全球變暖的公共意識日漸增強，世界各地的法規(guī)認證機構(gòu)也正在完善更為嚴格的節(jié)能標準和規(guī)范。而且，各認證機構(gòu)已開始將目光轉(zhuǎn)向全球性的統(tǒng)一標準制定上，而不再局限于個別地區(qū)和國家現(xiàn)有標準的拼拼湊湊。最突出的示例是關于外接電源(EPS)的標準：包括歐盟委員會、CECP(中國節(jié)能產(chǎn)品認證中心)、澳大利亞GREEN Office以及KEMCO(韓國能源管理公司)在內(nèi)的眾多認證機構(gòu)均計劃采用與“能源之星”和加州能源委員會(CEC)相同的標準。最后，一些機構(gòu)開始從起初的要求自愿遵循相關標準轉(zhuǎn)變?yōu)閺娭仆菩邢嚓P標準。在美國，許多州一直效仿加州能源委員會，并已實施相關強制要求。

此外，外接電源規(guī)范也顯示了另一個重要的法規(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)范還要求在寬負載范圍內(nèi)達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



對于電源設計師來說，這些新要求則意味著，那些曾經(jīng)認可的設計實踐在空載功率、待機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，設計師們必須摒棄舊的設計習慣并采用新技術，以便滿足這些更為嚴苛的要求。

要想在節(jié)能方面取得如此大的改善確實是一個艱巨的挑戰(zhàn)。但好消息總是不期而至，近年來集成電路技術取得了重大進展，使用這些技術設計的電源能夠在工作功率范圍內(nèi)持續(xù)高效率運行，在待機模式下的功耗極低，而且不會帶來額外成本。

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)方法幾乎不可能達到50%以上的功效，功率浪費始終存在，甚至在空載條件下也是如此。不僅如此，由于近年來銅的價格一路上揚，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技術設計而成。

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，利用此項技術設計的開關電源能夠在待機和空載條件下以更高的效率進行工作。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技術設計的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)。器件隨后會采取一個或多個步驟，以提高電源在此狀態(tài)下的效率。它會降低“占空比”，即限制對負載供電，并吸收更少的電流。其次，它會進行“周期跳頻”，等待器件“醒來”，因而只在一個短暫周期內(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)壓器設計的電源，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外部元件，即可將電路待機消耗從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顯示該設計使整個功率工作范圍的效率性能達到驚人的一致，順應了當前節(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：不同負載模式下的工作效率。

曾經(jīng)提出的目標是實現(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。雖然智能建筑設計已經(jīng)大大改善了功耗情況，但由于其他各項功耗的增長，如開門機、監(jiān)控攝像機以及其他產(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，高效率的開關電源當仁不讓地成為所有電子設備設計師的必然之選。以開關電源替代耗電的線性電源，工程師們設計的產(chǎn)品可以輕松符合新的節(jié)能法規(guī)。