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作者：安森美半導體產品營銷工程師Grant Floyd 從為平板電腦或智能手機電池充電到為膝上型電腦或家用路由器供電，電源適配器長期以來都是人們日常生活的必要組成部分。對于將電源適配器與其產品搭配到一起的消費電子原設備制造商(OEM)而言，需要因應兩項關鍵推動因素，即確保提供高能效等級并滿足安全規(guī)范，同時還需提供緊湊的外形因數(shù)。近年來，由于結合了政府法規(guī)及美國“能源之星”、歐盟生態(tài)設計指令及中國標準化研究院(CNIS)等能效項目，業(yè)界非常注重通過減小待機模式下的使用的電能來降低適配器的總體能耗等級。本文將探討推動最新要求的新興技術趨勢，包括要求減少使用的外部元器件數(shù)量、使設計更時髦輕薄的工藝。 待機能耗有時候也稱作“吸血鬼能耗”或是“虛負載”，指的是電子設備及電器在關斷電源但仍然插在電源插座上時消耗的電能。以美國為例，待機能耗約占美國家庭平均總能耗約10%。這相當于令人驚愕的129太瓦時(即為1,290億千瓦時)的電能，或者是36座400兆瓦發(fā)電廠輸出的電能，導致每年排放7,500萬噸二氧化碳。 在美國，2008年7月1日生效的現(xiàn)行聯(lián)邦標準要求功率低于250 W的電源空載能耗低于500 mW。最近，美國能源部(DOE)提出了更嚴格的電池充電器及電子產品電源能效標準，并將于2013年7月1日生效。根據(jù)新標準，銘牌輸出功率介于49至250 W之間(典型筆記本視頻器功率位于此范圍)的交流-直流(AC-DC)外部電源的最大空載能耗必須低于0.210 W。然而，這些國家標準通常落后于其它標準及市場要求。美國1975年能源政策及節(jié)能法案(EPCA)規(guī)定：任何新的節(jié)能標準的制定必須旨在提供最大程度的能效提升，不僅要在技術上可行，也要具備經濟合理性。因此，這些國家標準通常并不代表“一流的”性能。諸多電源制造商要求將空載能耗限制到盡可能地低，從而將其產品與競爭產品區(qū)別開來。 
圖1：美國能源部提出的AC-DC外部電源節(jié)能標準 在能效標準上最為進取的政府機構很可能是美國加州。電源制造商可不想提供僅針對加州的特定型號產品，因此，加州標準的實際影響范圍要廣得多。例如，美國加州在2012年1月出臺的新的電器能效規(guī)范將電池充電器系統(tǒng)作為重要焦點。加州每年有超過1.7億個充電器被用于充電，根據(jù)推測，在此特別領域提升能效，每年將可節(jié)省2,200吉瓦時(即22億千瓦時)的電能。這些電路足夠為35萬個家庭供電，相當于為住宅/商業(yè)用電賬單每年節(jié)省3.06億美元。美國加州能源委員會(CEC)實施的這些能效規(guī)范要求手機、個人照護設備及電動工具所使用的所有消費類充電器在2013年2月前必須遵從，而工業(yè)類充電器須在未來12個月內遵從。美國其他幾個州希望遵循加州降低待機能耗限制值的范例。
圖2：電動工具所用的典型老式充電系統(tǒng) 圖2介紹了過去常用的基本充電器系統(tǒng)電路圖。此特別案例使用鎳鉻(NiCd)電池來為電動工具充電。電池在1小時內的電量標為C。例如，以0.5 C的充電速率來為額定容量600 mAh的電池充電，使用300 mA充電電流要經歷超過2小時才能完全充滿電池。 圖2中的電路能以0.1 C的恒定充電速率。由于充電器的60 Hz變壓器的設計意圖是維持低成本，而非提供高能效等級，空載能耗通常將高于0.5 W，如此高的空載能耗不再能夠令人接受。早期想法是使充電器能效更高，但不注意事實上充電后電路會持續(xù)無限期地浪費電能。這已經被證明是一種有點誤導的視角。 即便是當今市場上的許多充電器，也仍然缺乏檢測電池是否完全充滿的能力，且因此在充電過程完成后仍然持續(xù)提供電能給電池，因而浪費電能(釋放為熱量)。通過使用可以關閉完全充滿之電池的充電通道，電能就不會無謂地浪費，電池也不會置于損壞的風險。 提供低待機能耗工作的創(chuàng)新方案 家庭中一項常見的待機能耗源頭就是筆記本適配器。這些適配器相當多的使用時間是在筆記本電腦斷開連接或關斷的情況下在桌子底下度過的。如今典型的市售筆記本適配器在空載條件下約消耗300 mW至500 mW的能耗。然而，許多領先制造商如今要求下一代筆記本適配器的空載能耗限制到低于30 mW，從而使其產品與競爭產品區(qū)域開來。圖3顯示了65 W筆記本適配器用下一代充電系統(tǒng)的簡化示例。此電路最重要的元器件就是固定頻率電流模式控制器IC及次級端開關電源(SMPS)控制器IC。
圖3：帶空載檢測功能的先進充電電路簡化電路圖 這示例中指定的固定頻率電流模式控制器(即安森美半導體的NCP1246)經過了專門優(yōu)化，在空載及輕載條件下消耗極低的能耗。交流-直流(AC-DC)電源空載條件下輸入能耗的其中一項主要來源是X2電容放電電路。典型適配器包含高壓X2電容，它連接至交流輸入端，作為電磁干擾(EMI)濾波器的一部分。出于安全原因，強制要求此電容在從墻上拔出適配器插頭后的1秒時間內放電至安全電壓電平。否則，接觸交流插頭的扁腳(prong)就面臨電擊的危險。符合此要求的標準方法是使用一串與電容并聯(lián)的高阻抗泄放電阻。當用于230 Vac應用時，這恒定的電阻型消耗源約消耗25 mW輸入能耗。當顧及到空載能耗時，這25 mW就變得相當大了。NCP1246解決此問題的方法是加入帶有源放電電路的內置交流線路檢測器。這控制器在檢測到不再存在交流信號時，激活內置開關來使電容放電。有了這個功能，就不再需要泄放電阻了，消除了恒定的25 mW能耗源頭。 次級端開關電源控制器(即安森美半導體的NCP4354)是NCP1246的伴侶IC，能夠檢測空載條件，并使電源進入低能耗關閉模式。在關閉模式期間，初級端控制器停止工作，能量由輸出電容提供。適配器的輸出電壓開始下降，因為初級端不再在存在開關工作。這并不構成什么問題，因為適配器在此模式下不再連接至筆記本電腦。輸出電壓被允許下降至某個可調節(jié)電平，直到NCP4354通知初級端重啟，重新為輸出電容充電并因此維持工作。當適配器重新連接至電池時，NCP4354控制器自動重啟初級端控制器。能僅以一顆光耦提供反饋控制及導通/關閉信號。當在此類電路中一起使用時，NCP1246和NCP4354能夠采用美國規(guī)格的交流主電源提供低于10 mW的空載能耗，且在寬交流主電源電壓范圍下提供低于20 mW的空載能耗。
圖4：65 W適配器電路圖（點擊可放大） 雖然許多消費電子OEM生產高能效產品，但他們常常會對低能耗的充電系統(tǒng)感到失望。如今已經出現(xiàn)重要進展，電池充電器可以消耗更少電能，同時提供市場所要求的高性能基準。諸如本文所介紹的系統(tǒng)致力于滿足這些標準，并降低系統(tǒng)復雜度、節(jié)省珍貴的電路板空間及使物料單(BOM)成本受到控制。 |
