有助于減少能耗的新型外置電源

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 一詞會讓人聯(lián)想到無所不在的、由微型傳感器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，那些傳感器可能正在監(jiān)視著空氣質(zhì)量或水質(zhì)，交通流量或工業(yè)生產(chǎn)過程，以及我們的家居環(huán)境或身體健康狀況。 這些傳感器通常被設(shè)想為超低功耗設(shè)備，終身依靠小型鈕扣電池、太陽能板或者其他微型能量采集子系統(tǒng)工作。 因此，就其自身能量需求而言，這些設(shè)備被認(rèn)為可帶來巨大的經(jīng)營效益，而對環(huán)境則產(chǎn)生極小的影響。

據(jù)估計(jì)，所連接的傳感器數(shù)量幾年之后將超過萬億，實(shí)現(xiàn) IoT 的視覺、聽覺和觸覺功能。 不過，它們不大可能直接連接到互聯(lián)網(wǎng)。 Wi-Fi 或以太網(wǎng)連接不宜集成到小型電池供電或自供電 IoT 端點(diǎn)中，那樣做成本高昂，功耗過大。

在諸多工業(yè)或民用傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，連接到互聯(lián)網(wǎng)通常要通過集線器或 IoT 網(wǎng)關(guān)，在傳感器與互聯(lián)網(wǎng)之間架起聯(lián)系的橋梁。 這樣，網(wǎng)關(guān)會根據(jù)智能藍(lán)牙或雙線連接等標(biāo)準(zhǔn)對傳感器執(zhí)行非 IP 接口，也作為以太網(wǎng)端口或 Wi-Fi 接口的主機(jī)，使其連接互聯(lián)網(wǎng)。 通過互聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器與云服務(wù)等集中管理器之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸。 傳感器數(shù)據(jù)的基本處理也通常在網(wǎng)關(guān)本地執(zhí)行，隨后結(jié)果將傳輸至云端。 圖 1 概述了 IoT 網(wǎng)關(guān)的基本功能

圖 1：需要通過 IoT 網(wǎng)關(guān)將低功耗、非 IP 傳感器連接到互聯(lián)網(wǎng)。

據(jù)預(yù)測，未來 4 到 5 年將會有 500 億個諸如 IoT 網(wǎng)關(guān)這樣的設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)。 管理各種網(wǎng)關(guān)功能，包括多傳感器接口、互聯(lián)網(wǎng)連接和嵌入式處理等，都需要電力，這就意味著設(shè)備需要插入主電源或者經(jīng)常充電。 不久的將來，隨著如此多的設(shè)備連入互聯(lián)網(wǎng)，電力需求會顯著增加，不論是來自離線電源還是充電電源。

電源能效標(biāo)準(zhǔn)

連接電網(wǎng)的電子設(shè)備數(shù)量大幅增長已不再是新鮮事。 至少自進(jìn)入消費(fèi)者電子產(chǎn)品時代以來，大幅增長所帶來的影響一直是科學(xué)家們的關(guān)注重點(diǎn)。 美國消費(fèi)電子協(xié)會的數(shù)據(jù)顯示，在 20 世紀(jì) 70 年代，美國一般家庭通常擁有一臺電視機(jī)，可能還會有一臺洗衣機(jī)，而如今每個家庭的電子產(chǎn)品擁有數(shù)量已上升至 24 件。 其中包括多臺電視機(jī)、PC、平板電腦、智能手機(jī)、打印機(jī)、游戲控制臺等其他電器，這些設(shè)備可能配備內(nèi)部電源，也可能通過適配器或外置電源 (EPS) 來工作。 到了上世紀(jì) 90 年代，僅美國使用的外置電源 (EPS) 數(shù)量就超過了 10 億個。

圖 2：90 年代初，有研究預(yù)測，如果不采取相關(guān)措施，在 20 年內(nèi)外置電源空載功耗將占美國用電總量的 30%。

我們都知道，用戶通常沒有在電器關(guān)閉或連接斷開后拔下插頭的習(xí)慣，有鑒于此，對用戶浪費(fèi)“幻象電源”或“空載電源”的擔(dān)憂開始增加。 1998 年，加利福尼亞州勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室 (LBNL) 的 Alan Meier 在研究中估計(jì)，美國居民用電中約有 5%，價值大約 30 億美元的電能是被待機(jī)設(shè)備的電源所浪費(fèi)。 結(jié)果當(dāng)然是導(dǎo)致能源價格上漲，更多地?fù)?dān)憂過度消耗能源對環(huán)境造成損害。

為應(yīng)對上述難題，2004 年，加利福尼亞州能源委員會施行了全球首部關(guān)于外置電源的能效法規(guī)。 繼而，全球大部分市場，包括整個美國、加拿大、歐洲和澳大利亞紛紛效仿。 最終，這些法律經(jīng)過協(xié)調(diào)統(tǒng)一，形成了外置電源《國際能效標(biāo)識協(xié)議》。 這一過程經(jīng)過了幾代人的努力，對空載功耗和最低平均工作效率的限制規(guī)定日益嚴(yán)格。 如今，在美國和加拿大銷售的所有外置電源都必須符合該協(xié)議的 IV 級能效規(guī)范，其銘牌上必須貼有羅馬數(shù)字 IV 標(biāo)簽。 歐盟目前施行的是更為嚴(yán)格的 V 級能效規(guī)范。

2014 年，美國能源部 (DoE) 宣布，2016 年 2 月 10 日之后在美國制造和銷售的所有外置電源必須符合更高標(biāo)準(zhǔn)的 VI 級能效規(guī)范。 盡管尚無任何機(jī)構(gòu)宣布其最終標(biāo)準(zhǔn)，但歷史規(guī)律表明，不用多久，歐盟及其他國家有關(guān)當(dāng)局會將其能效要求提高至 VI 級。

鑒于 IoT 應(yīng)用將呈爆炸式增長這一預(yù)期，外置電源的 VI 級能效規(guī)范可對環(huán)境提供有效保護(hù)，防范即將要連接到電網(wǎng)的海量 IoT 網(wǎng)關(guān)所帶來的影響。 全球的原始設(shè)備制造商 (OEM) 需要和最新法規(guī)與時俱進(jìn)，這點(diǎn)很重要。

電源設(shè)計(jì)選擇

內(nèi)部電源不受《國際能效標(biāo)識協(xié)議》的約束。 在設(shè)計(jì)中納入內(nèi)部電源而非 EPS，或許無需遵循該法規(guī)。 不過，其他法規(guī)也可能適用，比如能源之星評級系統(tǒng)或歐盟關(guān)于能源相關(guān)產(chǎn)品 (ErP) 的環(huán)保設(shè)計(jì)指令 2009/125/EC。 而且，設(shè)計(jì)定制的內(nèi)部電源或集成第三方模塊，可能也超出了設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)范圍。 此外，內(nèi)部電源還會增加產(chǎn)品的重量和體積，而需要更大的外殼。

現(xiàn)成 EPS 提供的解決方案快速而方便，可符合適用的法規(guī)。2014 年底，CUI 開始在其 EPS 系列中推出 VI 級規(guī)范產(chǎn)品，以滿足后續(xù)法規(guī)要求。 EPS 制造商通常會調(diào)整產(chǎn)品組合來滿足最高的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，這樣，OEM 客戶可在運(yùn)往多個出口市場的產(chǎn)品中，搭配一款通用型電源，以最大化運(yùn)營效率和減少供應(yīng)鏈錯誤。

VI 級能效規(guī)范

VI 級規(guī)范協(xié)議明顯要比過往協(xié)議復(fù)雜。 其中將電源劃分為了五大類別， 包括：

單電壓外部 AC/DC 電源（基本電壓）

單電壓外部 AC/AC 電源（基本電壓）

單電壓外部 AC/DC 電源（低電壓）

單電壓外部 AC/AC 電源（低電壓）

多電壓外置電源的輸出功率最高為 49 W

注：低壓電源的輸出電壓小于 6 V，輸出電流大于 550 mA。 基本電壓電源指非低電壓電源。 除此之外，VI 級規(guī)范首次對功率超過 250 W 的單電壓電源作出了法律規(guī)定。

相較于針對備用電源的 V 級能效規(guī)范，VI 級能效規(guī)范對可允許的最大功率進(jìn)行了下調(diào)，從 0.3 W（對于標(biāo)準(zhǔn)電壓 EPS，最高為 49 W）下調(diào)到了 0.1 W（對于單電壓 AC/DC 電源，額定功率范圍是 1 W 至 49 W。新頒布的平均能效要求也是嚴(yán)苛如以往。 圖 2 顯示了相較于類似的 III、IV 和 V 級能效規(guī)范，VI 級規(guī)范基本電壓 AC/DC 電源平均能效的提升情況。

圖 3：VI 級規(guī)范規(guī)定的平均能效閾值高于 III 至 V 級規(guī)范的規(guī)定值。

通過設(shè)計(jì)滿足 VI 級規(guī)范要求

設(shè)計(jì)符合滿足更高新標(biāo)準(zhǔn)的 EPS 是一項(xiàng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 相較于 CUI 的 V 級規(guī)范電源，VI 級規(guī)范電源在初級和次級電路的幾乎每個方面均有所更改。 這些更改包括在設(shè)計(jì)中納入最新的控制 IC，以支持改進(jìn)后的輕載工作模式：正常工作時，新型控制器以與 V 級規(guī)范產(chǎn)品同樣的開關(guān)頻率 65 kHz 進(jìn)行工作，但在輕載和空載時會更改至 22 kHz，以降低功率損耗、提高能效。 次級反饋電路中的電容和電阻值經(jīng)過重新優(yōu)化，可減輕開關(guān)頻率較低、紋波和噪聲較多時帶來的影響。 控制 IC 還利用新技術(shù)減少靜態(tài)功耗，這會進(jìn)一步有益于滿足更為嚴(yán)苛的最高空載功耗限制要求。

低壓/高電流 VI 級規(guī)范電源中的次級電路采用 MOSFET 并增加一個控制 IC，將其由簡單的二極管整流變?yōu)?a target="_blank">同步整流。 此外，更大電阻值和其他元件的更改（比如增大線規(guī)）將有助于減少內(nèi)部功率耗散。 不僅如此，導(dǎo)通電阻更低的較新 MOSFET 有助于提升較大負(fù)載時的能效。

另一方面，主電源電路的布置和現(xiàn)有 V 級規(guī)范的裝置基本無異。 額定功率低于 120 W 的裝置采用 CUI 成熟的反激式設(shè)計(jì)，而額定功率高于 120 W 的適配器則采用 LLC 諧振拓?fù)洹?值得注意的是，VI 級規(guī)范電源的平均能效提高后，也有助于降低典型工作溫度，從而提升可靠性。 在 IoT 應(yīng)用中，對于通常需要在現(xiàn)場長時間工作，只需很少或不需要維護(hù)的設(shè)備來說，這是特別重要的有利因素。

結(jié)論

可以預(yù)見，IoT 將為工業(yè)、環(huán)境、生態(tài)和生活質(zhì)量帶來大量且廣泛的益處。 另一方面，預(yù)期的大量部署會引起新型網(wǎng)絡(luò)集線器和網(wǎng)關(guān)的出現(xiàn)，數(shù)量龐大且必須由交流線路供電。 最新的 VI級規(guī)范標(biāo)識協(xié)議將于2016 年 2 月在美國強(qiáng)制施行，滿足該協(xié)議的新型外置電源可提升平均能效，降低空載功耗，從而有助于補(bǔ)償增加的電力需求。