提供電池充電AC-DC電源應(yīng)用

正當(dāng)您以為把握住了外部電源能效標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，另一套能效標(biāo)準(zhǔn)又橫空出世。 昨天的標(biāo)準(zhǔn)已然不再足夠好，制造商們不能就此自滿。

滿足能效標(biāo)準(zhǔn)并不是一次性可以解決的。 出于履行旨在緩解氣候變化的全球協(xié)議需要，各國(guó)政府出臺(tái)了眾多法規(guī)，逐步提升外部電源等產(chǎn)品的最低能效要求。 設(shè)備制造商有責(zé)任不僅達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn)，還要保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，尤其是當(dāng)他們希望確保其產(chǎn)品覆蓋盡可能廣泛的市場(chǎng)時(shí)。

目前最苛刻的強(qiáng)制性要求是美國(guó)能源部 (DoE) 規(guī)定的 VI 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)自 2016 年 2 月起生效，適用于供應(yīng)到美國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的產(chǎn)品。 而且，目前歐盟“行為準(zhǔn)則”要求將作為新的標(biāo)準(zhǔn)，在未來(lái)兩年內(nèi)成為歐盟的強(qiáng)制性生態(tài)設(shè)計(jì)規(guī)則。 初始部分與 VI 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)大體一致，但下一級(jí)設(shè)定了更嚴(yán)格的目標(biāo)。

包括外部電源在內(nèi)的設(shè)備制造商通常希望能夠靈活地向全球市場(chǎng)供應(yīng)其產(chǎn)品，而不必?fù)?dān)心運(yùn)往美國(guó)、歐洲或其他國(guó)家的貨物是否符合這些國(guó)家的相關(guān)法規(guī)。 因此，領(lǐng)先的外部電源制造商致力于確保其產(chǎn)品在強(qiáng)制性合規(guī)要求截止日期之前就達(dá)到即將生效的新標(biāo)準(zhǔn)。

監(jiān)管的必要性

加州大學(xué)伯克利分校實(shí)驗(yàn)室在 1998 年進(jìn)行的一項(xiàng)研究估計(jì)，美國(guó)居民用電消耗中多達(dá) 5% 是由于家用電器待機(jī)產(chǎn)生的。 這大約相當(dāng)于每年超過(guò) 30 億美元的能源成本。 按照美國(guó)能源部 2004 年報(bào)告的 12.9 億兆瓦時(shí) (MWh) 居民用電消耗，這一百分比的能源浪費(fèi)總量達(dá)到 6400 萬(wàn)兆瓦時(shí)，相當(dāng)于 18 座典型發(fā)電廠的產(chǎn)量，這一數(shù)據(jù)實(shí)在是太驚人。

早期提高家用電器能效的倡議是自愿性的，包括最初針對(duì) IT 行業(yè)的“能源之星”計(jì)劃，但隨后包含了消費(fèi)產(chǎn)品和更廣泛的商業(yè)市場(chǎng)。 盡管如此，直到 2004 年加利福尼亞州能源委員會(huì)才通過(guò)了首個(gè)實(shí)施能效標(biāo)準(zhǔn)的法規(guī)。 不久以后，在美國(guó)、歐洲以及世界其他地區(qū)紛紛仿效出臺(tái)了同等的標(biāo)準(zhǔn)，如圖 1 時(shí)間線圖所示，其中還展示了為使法規(guī)與識(shí)別電源能效水平的國(guó)際標(biāo)識(shí)協(xié)議相一致而所做的努力。

圖 1：從 2004 到最新的 2016 美國(guó) DoE VI 級(jí)法規(guī)以及即將實(shí)施的歐盟 CoC 和生態(tài)設(shè)計(jì)要求的能效標(biāo)準(zhǔn)演變。 （圖片由 CUI Inc. 提供）

外部電源 (EPS) 在 20 世紀(jì) 90 年代初估計(jì)有超過(guò) 10 億個(gè)，其能效低至 50％，因浪費(fèi)能源而臭名昭著，這主要是由于當(dāng)時(shí)采用的是線性技術(shù)。 更糟的是，當(dāng)終端設(shè)備關(guān)閉或斷開連接時(shí)，它們還會(huì)繼續(xù)消耗功率。 外部電源的增加消耗預(yù)計(jì)要占到總能量消耗的 30%，且有增無(wú)減。 因此，之后立法的很多重點(diǎn)放在了空載功耗和美國(guó)政府 2007 年實(shí)施的旨在避免大約 2 億公噸二氧化碳排放（相當(dāng)于近 4000 萬(wàn)輛汽車的溫室氣體排放量）的標(biāo)準(zhǔn)之上。

現(xiàn)今的監(jiān)管狀態(tài)

原始設(shè)備制造商 (OEM) 面臨的挑戰(zhàn)是跟上不斷演變的能效規(guī)則的步伐，并理解其中哪些為特定地區(qū)的強(qiáng)制性法律規(guī)定。 目前加拿大強(qiáng)制執(zhí)行 IV 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在澳大利亞這仍舊是自愿性的。 歐盟要求更苛刻的 V 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，而在美國(guó)自 2016 年 2 月開始法律要求為 VI 級(jí)。 通常，對(duì)于希望服務(wù)于全球市場(chǎng)的 OEM，避免多個(gè)產(chǎn)品變型、庫(kù)存和物流問(wèn)題復(fù)雜性的最佳策略是確保其產(chǎn)品符合最新、最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。 目前，就強(qiáng)制性合規(guī)要求而言，意味著必須達(dá)到 VI 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，然而如下一部分所述，更嚴(yán)格的規(guī)則即將發(fā)布。

正如人們所預(yù)料的，與 IV 級(jí)和 V 級(jí)相比，VI 級(jí)對(duì) EPS 必須實(shí)現(xiàn)的平均能效和空載功耗實(shí)施了更為嚴(yán)格的限制。 因此，舉例來(lái)說(shuō)，額定功率輸出在 49 W 到 250 W 之間的電源現(xiàn)在能效需要相應(yīng)從 85% 和 87% 提高至高于 88%，在空載條件下的功耗需要相應(yīng)從 750 mW 和 500 mW 降低至低于 210 mW。 這些要求詳見下表（圖 2）。

而且，VI 級(jí)規(guī)范現(xiàn)在覆蓋 AC-AC 電源，包括更高功率的 AC-DC 轉(zhuǎn)換器類別 (>250 W)，并區(qū)分出 1 W 及以下的電源。 此外，還加入了現(xiàn)在分類為基本電壓電源和低壓電源（銘牌輸出電壓低于 6 V 且輸出電流 ≥550 mA 的電源）之間的區(qū)分。 并且，首次在 DoE 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)多路輸出電源進(jìn)行了規(guī)定。 其對(duì)直接和非直接操作之間也進(jìn)行了區(qū)分，因此在該法規(guī)中僅包括無(wú)需電池輔助在最終產(chǎn)品中工作的直接操作電源，而被定義為非電池充電器電源、在沒(méi)有電池輔助情況下無(wú)法工作的非直接操作 EPS，仍受先前的 EISA2007 能效法規(guī)的約束。

除不包括非直接操作電源以外，VI 級(jí)還定義了 EPS 產(chǎn)品的一些特定豁免條款。 值得注意的是，這些豁免條件包括：電源須由聯(lián)邦食品藥品監(jiān)督管理局列入并認(rèn)定為醫(yī)療器械的醫(yī)療應(yīng)用；額定輸出電壓 < 3 V 且輸出電流 ≥ 1 A，為完全或主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品提供電池充電的直接操作 AC-DC 電源。

對(duì)于 VI 級(jí)合規(guī)要求，以有源模式操作的 EPS 需要達(dá)到在規(guī)定負(fù)載水平 25%、50%、75% 和 100% 時(shí)獲取的四個(gè)能效測(cè)量值的平均值所確定的最低能效。 總是較低的負(fù)載導(dǎo)致較差的能效，并且為了滿足更嚴(yán)格的 VI 級(jí)限制，EPS 設(shè)計(jì)人員需要考慮提升低負(fù)載能效的方法并重新審視所采用的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 因此，在更高電壓下操作的更高功率輸出的電源可以繼續(xù)使用 LLC 諧振變換器，并且已制定的反激式設(shè)計(jì)對(duì)于更適中的功率輸出電源可能也適合，但是對(duì)于需要提供更高輸出電流的較低電壓電源，則需要不同的解決方案。 例如，將次級(jí)電路設(shè)計(jì)從簡(jiǎn)單的二極管整流變?yōu)?a target="_blank">同步整流，有助于提高平均能效和空載性能，但需要次級(jí)側(cè)控制器來(lái)接通和斷開同步 FET。

實(shí)現(xiàn) VI 級(jí)合規(guī)要求的另一種方法就是像制造商 CUI 一樣，降低電源的開關(guān)頻率。 如在 V 級(jí)產(chǎn)品中一樣，控制 IC 通常以 65 kHz 的頻率工作，但在輕載和空載條件下將其降低到 22 kHz，可大大降低功率損耗并提高能效，如圖 3 所示。

圖 3：降低輕載和空載條件下的開關(guān)頻率有助于符合 VI 級(jí)平均能效規(guī)范。

全球化階段與協(xié)調(diào)

如前所述，從圖 1 中也可以看出，全球能效法規(guī)的實(shí)施和采納相當(dāng)分化，并摻雜著適用于不同地理區(qū)域的自愿性和強(qiáng)制性法規(guī)。 不幸的是，盡管政府及其他機(jī)構(gòu)心懷良好意愿，希望各種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)一致，然而仍舊需由電源制造商和 OEM 來(lái)確保其產(chǎn)品的合規(guī)性。

我們所看到的過(guò)程并非協(xié)調(diào)一致的，似乎更像是各國(guó)或各地區(qū)試圖趕上并超越其鄰國(guó)的一場(chǎng)競(jìng)相提高的游戲。 歐盟是其 EPS 能效行為準(zhǔn)則 (CoC) 規(guī)則的最新挑戰(zhàn)者。 其 2013 年 10 月發(fā)布并自 2014 年 1 月起生效的基于自愿原則的 1 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)采用了現(xiàn)有的生態(tài)設(shè)計(jì)指令，該指令使歐盟與 2011 年的 V 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)一致，并將其要求提高到與 DoE VI 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)大體相當(dāng)。 CoC 1 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)前正在接受有關(guān)部門的審查，預(yù)計(jì)將于 2017 年 1 月前作為生態(tài)設(shè)計(jì)規(guī)則強(qiáng)制實(shí)施。 接下來(lái)是歐盟的 CoC 2 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，它超越了 VI 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，自 2016 年 1 月起生效并基于自愿原則實(shí)施，并且也在接受審查，可能于 2018 年 1 月作為生態(tài)設(shè)計(jì)規(guī)則強(qiáng)制實(shí)施。

我們?cè)俅瘟私饬艘幌?VI 級(jí)和 CoC 1 級(jí)之間的細(xì)微差別，然后你就會(huì)體會(huì)到 2 級(jí)將會(huì)如何的嚴(yán)格。從制造商的角度來(lái)看，這是生死攸關(guān)的，特別是在他們的目標(biāo)是通過(guò)滿足最嚴(yán)格的規(guī)范來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有這些標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)時(shí)。

與 VI 級(jí)相比，CoC 1 級(jí)對(duì)基本電壓外部電源的空載功耗限制不是太嚴(yán)格，這一點(diǎn)可能令人驚訝。 對(duì)于額定值為 0.3 W 至 49 W 的電源，適用的最大值為 150 mW，對(duì)于 49 W 至 250 W 的電源，最大值為 250 mW，相對(duì)于同等 VI 級(jí)設(shè)備，其相應(yīng)限值為 100 mW 和 210 mW。 2 級(jí)空載功耗限制的設(shè)定低于 VI 級(jí)，為 75 mW (0.3 W < Pout ≤ 49 W) 和 150 mW (49 W < Pout ≤ 250 W)，這一點(diǎn)并不那么讓人驚訝。

較明顯的差別在于 CoC 規(guī)則引入了 10% 全額定輸出電流時(shí)的有源模式最低能效。 這是 VI 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)用于測(cè)量能效的四點(diǎn)平均法之外的補(bǔ)充，正如我們前面所指出的，它提出了更大的挑戰(zhàn)。 與 VI 級(jí)相類似，在能效測(cè)量方面，CoC 規(guī)則對(duì) AC-DC 和 AC-AC 電源的處理相同，但基本電壓和低壓電源之間存在區(qū)別，具有不同限制。 與空載標(biāo)準(zhǔn)一樣，我們看到 CoC 1 級(jí)平均能效要求的嚴(yán)格程度略低于 VI 級(jí)，而 2 級(jí)的要求則更苛刻一些。

確保全球合規(guī)性的解決方案

原始設(shè)備制造商有責(zé)任確保其所生產(chǎn)的任何產(chǎn)品均符合相關(guān)能效法律規(guī)定，包括在任何地區(qū)銷售的外部電源。 顯然，EPS 符合最嚴(yán)格的現(xiàn)行法規(guī)可避免對(duì)不同地理區(qū)域市場(chǎng)采取不同產(chǎn)品配置的復(fù)雜性。 對(duì)于購(gòu)買電源與其最終產(chǎn)品捆綁銷售的 OEM 來(lái)說(shuō)，其好處是，他們能夠更容易地選擇滿足最新、最苛刻的能效標(biāo)準(zhǔn)的供應(yīng)商。

CUI 是在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的技術(shù)公司。 其在 VI 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求成為強(qiáng)制性要求的一年多以前就推出了符合這些標(biāo)準(zhǔn)要求的外部電源。 這些產(chǎn)品覆蓋 5 W 到 150 W 的電源適配器，并包括如圖 4 所示的桌面式、壁插式和 USB 產(chǎn)品。 CUI 的目標(biāo)旨在“保持領(lǐng)先于快速演變的全球能效法規(guī)，確保客戶設(shè)計(jì)能在更嚴(yán)格的能效規(guī)則成為法律要求時(shí)保持合規(guī)性”，因此我們可以合理期望很快看到符合 CoC 標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品公布于眾。 我們還可以期望通過(guò)諸如 Digi-Key 這樣領(lǐng)先的分銷商輕松獲得這些產(chǎn)品。

圖 4：CUI SWI12-E 12 W 壁插式系列