電源電子技術(shù)在降低能耗中的角色

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(jué)性加社會(huì)決策，而能效提升就純粹是一個(gè)技術(shù)問(wèn)題。美國(guó)使用的電能中的3%在電子電源轉(zhuǎn)換過(guò)程中耗散為熱量。因此電源電子產(chǎn)業(yè)，包括半導(dǎo)體公司、電源公司和終端產(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)換效率并降低待機(jī)能耗。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(guó)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(guò)40%。這排放的一大來(lái)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(guó)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(guó)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(guó)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(lái)增加電源的效率，能節(jié)省美國(guó)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(guó)每年的住宅電能消耗總量達(dá)13000億kWh。其中，17%來(lái)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(lè)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(lè)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(guó)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(lái)自辦公設(shè)備。假設(shè)辦公設(shè)備的電能消耗能夠降低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(guó)而言，如果提升常見(jiàn)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(kāi)支。更高效的產(chǎn)品工作模式設(shè)計(jì)所帶來(lái)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(lái)，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(guó)政府啟動(dòng)了很多自愿性和強(qiáng)制性的項(xiàng)目來(lái)促進(jìn)更高效產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和電能更被善用。在美國(guó)，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(lái)購(gòu)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(kāi)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(lái)推廣高能效電源。”這規(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(guó)的Ecos Consulting管理。如今，超過(guò)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(lái)越多的類似規(guī)范。

功率因數(shù)校正

除了低待機(jī)能耗和高工作效率，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(guó)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(kāi)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(lái)實(shí)現(xiàn)。這種升壓預(yù)穩(wěn)壓器改變輸入電流，來(lái)匹配輸入電壓。這就將輸入諧波減到最少，并降低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(wú)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)能耗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(kāi)發(fā)出一個(gè)交互式能量規(guī)范數(shù)據(jù)庫(kù)，方便電源設(shè)計(jì)人員快速地瀏覽不同地區(qū)、應(yīng)用、國(guó)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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。