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電源廠家分享電源適配器能效技術(shù)進(jìn)展

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電源廠家分享電源適配器能效技術(shù)進(jìn)展

節(jié)能環(huán)保是21世紀(jì)世界各地必須面對(duì)的問(wèn)題。作為電子設(shè)備，尤其是便攜式電子設(shè)備主要能源配件的 電源適配器的生產(chǎn)量卻在增加，而 電源適配器在將交流電網(wǎng)高電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)穩(wěn)定的直流或交流低電壓的過(guò)程中，就會(huì)有能量損失。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，一些 電源適配器的轉(zhuǎn)換效率只有20％～40％，而高效的 電源適配器轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)90％，據(jù)測(cè)算，高效電源設(shè)計(jì)能夠節(jié)省15％一20％的電能，因此，美國(guó)、加拿大和歐盟等國(guó)家或地區(qū)陸續(xù)推出了與能效有關(guān)的認(rèn)證和法規(guī)。如美國(guó)的能源之星等，這些認(rèn)證和法規(guī)都涉及了 電源適配器產(chǎn)品。目前這些認(rèn)證絕大多數(shù)是非強(qiáng)制性的，但在一些具體的活動(dòng)中，它卻作為強(qiáng)制性的指標(biāo)列入到有關(guān)的政府采購(gòu)或其它的大宗交易合同中。一些地區(qū)強(qiáng)制性的法規(guī)早就頒布，比如從2006年7月1日起，美國(guó)加州能源委員會(huì)(CEC)針對(duì)AC—DC與AC～AC 電源供應(yīng)器的能源使用效率實(shí)施全新的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，基本上各種電子設(shè)備都受到影響。該標(biāo)準(zhǔn)包含了各種使用 電源供應(yīng)器(如充電器和適配器)的產(chǎn)品，涉及手機(jī)、家用無(wú)線電話、便攜式音樂(lè)播放器、掌上游戲機(jī)、玩具等，并標(biāo)準(zhǔn)這些產(chǎn)品在待機(jī)與使用狀態(tài)下以更有效率的方式運(yùn)用能源。歐洲委員會(huì)于2004年頒布了修訂后的《 電源適配器變換器能效管理法規(guī)》，并于2005年1月l13起對(duì)外部電源適配器變換器、電源適配器、充電器的能效指標(biāo)按該法規(guī)做好強(qiáng)制性管理，標(biāo)準(zhǔn)歐洲各采購(gòu)商將”符合該法規(guī)的能效標(biāo)準(zhǔn)”作為采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。
對(duì)于電源適配器產(chǎn)品保有量快速增長(zhǎng)的中國(guó)來(lái)講，提升  電源適配器的能效是非常好的減少能源消耗的方法，從而減少對(duì)環(huán)境的不良影響。現(xiàn)階段對(duì)于 電源適配器的能效認(rèn)證工作正在開展，如中標(biāo)能效認(rèn)證及其CQC能效認(rèn)證．在2007年12月頒布了強(qiáng)制性的 電源適配器能效標(biāo)準(zhǔn)。這篇文章詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外對(duì)外部電源適配器在能效層面的標(biāo)準(zhǔn)及趨勢(shì)，及其電源適配器在能效優(yōu)化層面的技術(shù)動(dòng)態(tài)。運(yùn)用測(cè)試設(shè)備對(duì)不同的電源適配器做好了檢驗(yàn)，并對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果做好了研究，強(qiáng)調(diào)了能效技術(shù)的發(fā)展對(duì)電源適配器提出的新標(biāo)準(zhǔn)。
2 各國(guó)對(duì)電源適配器能效的需求
現(xiàn)階段各國(guó)對(duì)于外部電源的能效需求，常見(jiàn)集中在額定輸出功率小于250W的單路輸出式交流一直流或交流一交流外部電源。包含的類型常見(jiàn)有：把交流電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為直流低電壓；每次使用時(shí)只出示1個(gè)固定的直流電壓輸出；與用電負(fù)荷配套；可與用電負(fù)荷分離；利用電線、電纜或一些永久性連線與終端產(chǎn)品連接等。這里的外部電源適配器是指封裝在一個(gè)與被其供電的整機(jī)相互獨(dú)立的機(jī)殼中，不包括直流一直流電源變換器，也不包含內(nèi)裝電源單元。兩者有共同的優(yōu)點(diǎn)，一般都不帶電源開關(guān)，也因?yàn)殡娫崔D(zhuǎn)換效率不可以達(dá)到100％，所以空載和帶負(fù)荷工作兩種情況下都損耗電功率?，F(xiàn)階段各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)都要求了無(wú)負(fù)荷功耗及其較小活動(dòng)模式效率。所有要求都依據(jù)電源的標(biāo)稱輸出功率標(biāo)準(zhǔn)制定。務(wù)必達(dá)到的效率值并不是簡(jiǎn)單的全負(fù)荷效率，而是分別在25％、50％、75％及100％額定輸出功率上所測(cè)量的平均效率。這代表著符合規(guī)定的電源務(wù)必在整個(gè)活動(dòng)模式工作范圍內(nèi)高效率地工作。對(duì)于在100—240V工作的設(shè)備，務(wù)必在115VAC及230VAE兩種輸入上達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)。表1和表2列出了一些法規(guī)和GB20943--2007中節(jié)能評(píng)價(jià)值的需求對(duì)于外部電源的能效要求。

雖然歐盟(Eu)的能源效率目標(biāo)一般與其它標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)比較并不嚴(yán)格，但EU標(biāo)準(zhǔn)中的無(wú)負(fù)荷功耗標(biāo)準(zhǔn)要小于能源之星和CEC的相對(duì)需求(對(duì)于低功率適配器，分別為300mW和500mW。200"／年1月1日后，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)又提升到1個(gè)新的水平，即對(duì)待機(jī)能耗的范嗣將限定在O．150～0．500W之間。這導(dǎo)致選擇可達(dá)到多項(xiàng)全球標(biāo)準(zhǔn)的電源解決方案更為重要。另一方面，現(xiàn)階段歐盟、CFC法案和中國(guó)常見(jiàn)的認(rèn)證需求在無(wú)負(fù)荷功耗標(biāo)準(zhǔn)層面只是達(dá)到能源之星2006年7月1El前的標(biāo)準(zhǔn)。CFc在2008年1月1El后對(duì)所有輸出功率的產(chǎn)品都需求小于0．5w，所以在出口商品層面，無(wú)負(fù)荷功耗應(yīng)該是1個(gè)需要引起重視的標(biāo)準(zhǔn)。

空載功率消耗要求

3電源適配器能效改善技術(shù)發(fā)展
外部電源適配器從結(jié)構(gòu)上還可以分成2個(gè)大類。一類是傳統(tǒng)的由硅鋼片、銅線、二極管構(gòu)成的串聯(lián)穩(wěn)壓電源或工頻線性電源，另一種是由電子部件、功率管、鐵氧體磁材等構(gòu)成的高頻電子開關(guān)電源。開關(guān)電源具備體型小，重量輕，有色金屬少的優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)而言也具備相對(duì)比較高的能效。提升電源適配器的效率還可以表現(xiàn)在元器件的改善和變換器拓?fù)浼翱刂品绞?個(gè)層面。
3．1元器件特性的改善在電源適配器能效提升 上的應(yīng)用元器件特性的改善在能效上的體現(xiàn)較主要的因素就取決于降低系統(tǒng)多余的熱消耗。對(duì)電源適配器而言，下面三類元器件較為重要。
(1)功率半導(dǎo)體器件
電源適配器中的功率半導(dǎo)體器件，主要?dú)v經(jīng)下面方法提升 能效：提升 導(dǎo)通和關(guān)斷瞬間的速度，降低導(dǎo)通和關(guān)斷瞬間的能耗；降低反向泄露電流；降低通態(tài)電阻。這就需求器件具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和關(guān)斷消耗及開通消耗小等特性。

雙極晶體管具有開關(guān)速度高的特點(diǎn)，但其反向漏電和驅(qū)動(dòng)功率都比較大，而MO$FET與此恰好向反。絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是結(jié)合了MOSFET與cTP的特點(diǎn)于一身的。IGBT的技術(shù)進(jìn)步實(shí)際上是通態(tài)壓降，快速開關(guān)和高耐壓能力三者的折中。在它剛出現(xiàn)時(shí)，電壓、電流額定值只有600V／25A。歷經(jīng)長(zhǎng)期的探討研究和改善，如今IGBT的電壓、電流額定值已分別超過(guò)3300V／l200A和4500WI800A。高壓IGBT單片耐壓已超過(guò)6500v，一般IGBT的工作頻率上限為20一40kHz，基于穿通(Pr)型結(jié)構(gòu)應(yīng)用新技術(shù)生產(chǎn)的IGBT，可工作于150kHz(硬開關(guān))和300k}Iz(軟開關(guān))。在功率半導(dǎo)體器件所用材料上也獲得了非常大的進(jìn)步，碳化硅SiC是功率半導(dǎo)體器件晶片的理想材料。其特點(diǎn)是：禁帶寬、工作溫度高(可達(dá)600℃)、熱穩(wěn)定性好、通態(tài)電阻小、導(dǎo)熱性能好、漏電流極小、PN結(jié)耐壓高等，有助于生產(chǎn)出耐高溫的高頻大功率半導(dǎo)體器件，將是21世紀(jì)較可能成功應(yīng)用的新型功率半導(dǎo)體器件材料。

用待機(jī)芯片的工頻電源適配器

(2)磁性元件
磁性元件是電源適配器中的重要功能元件。是達(dá)到能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)換、濾波和電氣隔離的主要元件。伴隨著消費(fèi)者對(duì)電源適配器的需求越來(lái)越高。除了對(duì)磁性材料提出了有高的居里溫度．鐵損小，磁通密度大等特性外，伴隨著開關(guān)電源開關(guān)頻率的提升 ，開關(guān)變換器的體積隨之降低，功率密度獲得大幅提升，但開關(guān)損耗隨之增加，并且使用更多的磁性器件，因而占據(jù)更多的空間，這種情況下磁性元件內(nèi)部的耦合及磁電之間的耦合變得越來(lái)越突出。因?yàn)轳詈咸匦圆缓茫┐磐ㄔ龆?，漏感增大，這樣在開關(guān)晶體管導(dǎo)通期間漏感蓄積能量，在開關(guān)晶體管截止期間漏感中蓄積的能量釋放，進(jìn)而在繞組間造成很高電壓。該電壓一方面會(huì)對(duì)開關(guān)管造成損傷，與此同時(shí)它加長(zhǎng)了開關(guān)時(shí)間，增加了消耗和噪聲。當(dāng)這種蓄積能量較多時(shí)，釋放期間可能造成振蕩，影響電源適配器正常的開關(guān)工作。所以研發(fā)人員對(duì)變換器中的磁件做了大量的研究工作，其中磁集成技術(shù)在電源適配器中的運(yùn)用越來(lái)越被人重視。如將鐵氧體或其它薄膜材料高密度集成在硅片上，或硅材料集成在鐵氧體上的磁電混合集成技術(shù)。磁電混合集成還包括利用電感箔式繞組層問(wèn)分布電容實(shí)現(xiàn)磁元件與電容混合集成等。磁性元件集成技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)主要難點(diǎn)在于常規(guī)的磁性元件設(shè)計(jì)方法早已極其繁瑣且必須從不同的方面來(lái)思考，如磁芯的尺寸選用，材料與繞組的判定，及鐵損和銅損的評(píng)定等。
此外，磁集成技術(shù)還必須思考磁通不平衡的問(wèn)題，因?yàn)榇磐ǚ植荚阼F心的每一部分的等效總磁通量是不同的，有一些部分可能會(huì)提前飽和。所以，磁性器件集成的分析與研究將會(huì)越來(lái)越復(fù)雜。但其所產(chǎn)生的高功率密度的優(yōu)點(diǎn)，必是今后電源適配器發(fā)展的趨勢(shì)。自1995年到現(xiàn)在，美國(guó)電力電子系統(tǒng)中心(cPEs)對(duì)磁性器件集成作了非常多的研究工作，使用耦合電感的概念對(duì)多相BUCK電感集成做了深入研究15J51且運(yùn)用于各種各樣不同類型的變換器中。2002年，香港大學(xué)Yim—ShuLee等人也指出多方面針對(duì)磁集成技術(shù)的研究與構(gòu)思。
(3)電容
不同的電容在電源適配器中的作用：濾波電容作為線性濾波元件用于抑制外部噪音進(jìn)入電源適配器內(nèi)部以及內(nèi)部噪聲外出，比如一般所說(shuō)的x電容是用來(lái)抑制正態(tài)噪音的．而Y電容是用來(lái)抑制共模噪音。吸收電容可吸收開關(guān)管、變壓器、電感等產(chǎn)生的浪涌，用于保護(hù)開關(guān)電路。平波電容用于平滑紋波電流。一般要求電容的體積小、泄漏電流小、等效串聯(lián)電阻(ERS)／J',。當(dāng)有電流利用電容時(shí)，ERS小，電容自身的發(fā)熱就小，對(duì)能效的改善是有益的。
現(xiàn)階段研究的關(guān)鍵是開發(fā)適合于功率電源適配器系統(tǒng)用的新型電容器和超級(jí)大電容。要求電容量大、等效電阻(EsR)小、體積小等。美國(guó)KEMET電子公司在20世紀(jì)90年代末已開發(fā)出330¨F新型固體(SolidTantalum)電容，其ESR從原來(lái)的500ml／降到30mfl門。
3．2電路結(jié)構(gòu)的改善在電源適配器能效提升 上的運(yùn)用
(1)待機(jī)節(jié)能芯片解決工頻電源適配器能耗問(wèn)題的方法
過(guò)去因?yàn)榫€性電源固有的特點(diǎn)，提升 其能效、降低空載功率消耗是十分困難的，應(yīng)對(duì)著各種各樣法規(guī)的要求，它面臨被較后取代的風(fēng)險(xiǎn)?？墒且?yàn)槠涔?jié)省成本的優(yōu)點(diǎn)依然吸引著大家利用電路結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變而達(dá)到能效要求的目的。如圖1所示。利用高靈敏度的電流檢測(cè)技術(shù)(如霍耳傳感器)檢測(cè)在負(fù)載端的工作電流情況，經(jīng)弱信號(hào)涮理電路和高靈敏度的比較器來(lái)解決，利用待機(jī)節(jié)能芯片判定是不是開啟內(nèi)部開關(guān)為變換電路供電。其關(guān)鍵技術(shù)之一是自帶高壓電流源，它能夠直接從高壓端與電源芯片相連啟動(dòng)電源。當(dāng)電源適配器啟動(dòng)后，內(nèi)部高壓電流源關(guān)斷，由輔助電源適配器供電。這樣既能夠降低啟動(dòng)消耗又可以有效確保響應(yīng)時(shí)間。深圳光華源科技有限公司較新推出待機(jī)節(jié)能芯片NA22150P用于外部電源適配器，進(jìn)而使外部實(shí)現(xiàn)超低待機(jī)耗能(≤0．1W)％
(2)開關(guān)電源的諧振型開關(guān)技術(shù)
開關(guān)電源的控制方式從大類分為兩種：脈沖寬度調(diào)制方式(PWM)和諧振方式。PWM中采用的開關(guān)是在大電流和高電壓處關(guān)斷的，在開關(guān)瞬問(wèn)，開關(guān)管自身必然消耗大量的功率，降低了電源適配器的能效。采用諧振型的技術(shù)實(shí)施的是軟轉(zhuǎn)換，它在電流或電壓波形的過(guò)零處關(guān)斷開關(guān)，開關(guān)的消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PWM方式，近乎為零。與此同時(shí)，因?yàn)镻WM技術(shù)同有的開關(guān)損耗使其無(wú)法在高頻段工作，一般只能工作在400—500kHz。而諧振型的開關(guān)方式能夠工作在200kHz一1MHz。較高的開關(guān)頻率可減小變壓器和輸出濾波器的尺寸，減小電源適配器的紋波系數(shù)。
(3)跳周期
跳周期是一類常見(jiàn)的降低待機(jī)耗能的方法?，F(xiàn)階段，為提升 電源效率．一般采用開關(guān)電源模式，開關(guān)頻率在幾十千赫茲到兒百千赫茲之間，某些產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)上兆赫茲。
因?yàn)殚_關(guān)次數(shù)高，在電源適配器的總體消耗中，尤其是在高頻、高電壓、大電流應(yīng)用中，開關(guān)損耗占了非常大的比例。而在待機(jī)時(shí)輸出負(fù)載要求很低。安森美半導(dǎo)體電源管理芯片能夠內(nèi)部集成比較器，利用監(jiān)測(cè)反饋信號(hào)，當(dāng)負(fù)載降低時(shí)使驅(qū)動(dòng)信號(hào)的非連貫簇脈沖替代連續(xù)脈沖。安森美半導(dǎo)體的PWM控制器如NCPl2XX系列均具有跳周期功能，利用跳周期的方式可有效降低待機(jī)耗能，滿足常見(jiàn)的待機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。
(4)頻率回走
頻率回走常見(jiàn)于小功率的情況。常說(shuō)的的頻率回走指的是當(dāng)負(fù)載降低時(shí)。利用降低原來(lái)的開關(guān)頻率來(lái)降低開關(guān)損耗。安森美半導(dǎo)體的PWM控制器NCPl215,rNCPl351采用這種待機(jī)形式，在輕載或空載時(shí)延長(zhǎng)時(shí)間使開關(guān)頻率降低，以實(shí)現(xiàn)低耗電的目標(biāo)。此技術(shù)應(yīng)用于充電器可以讓其待機(jī)功率在0．3w以下191。
4結(jié)語(yǔ)
電源適配器能效改善是一個(gè)持續(xù)演進(jìn)的過(guò)程，廠家必須不停地改善原材料、元器件及電源電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在生產(chǎn)成本允許的條件下，能否及時(shí)地將能效新技術(shù)投入到產(chǎn)品中去，必須來(lái)自各方面的推動(dòng)。政府和認(rèn)證機(jī)構(gòu)通過(guò)了解市場(chǎng)和技術(shù)的發(fā)展水平，提出新的要求，引進(jìn)新的技術(shù)，可引領(lǐng)廠家向更高的目標(biāo)前進(jìn)。

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| 發(fā)布時(shí)間：2020.12.26    來(lái)源：
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