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全世界對能源消耗的關注日漸增加。作為減少能源消耗的兩種方式，能源節省需要個人的自覺性加社會決策，而能效提升就純粹是一個技術問題。美國使用的電能中的3%在電子電源轉換過程中耗散為熱量。因此電源電子產業，包括半導體公司、電源公司和終端產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電子產品中的電源轉換效率并降低待機能耗。當然，減少這些損耗不是最終目的，實現更高系統性能和更低成本才是真正的目標。 本文探討電子產品中的能量損耗并探討用于減少能量損耗的技術。如果廣泛應用這些技術，潛在的能源支出將節省達到每年600億美元。如果你是電源電子產業的專才，這就是你躋身“綠領”的機會。 一些實據 如今，美國每年的碳排放量是27.5億噸。如果延續當前的軌跡，到2050年將增加超過40%。這排放的一大來源便是烘烤和烹調系統、照明、電器和電子設備中所使用的電力。電源電子工程師在保護地球寶貴的資源中能夠發揮重要的作用。下面是一個簡要分析。 1 美國所有電力應用中的6%～10%是在電源從交流(AC)轉換到直流(DC)。 2 由于現有電源效率欠佳，美國所有電力消耗的3%～4%是在電源內部消耗的。 圖1 一個美國典型家庭中不同插頭負載的電能消耗比例 3 以更好的設計、使用IC控制器、場效應管(FET)和二極管等最新的電子元器件來增加電源的效率，能節省美國所有電力消耗的1%～2%，也就是每年30～60億美元的節省潛能。 上述分析提供了電源轉換機會的寬泛估計，但缺乏必要的詳細數據，那么，就讓我們研究得更深一點…… 住宅用電部分 美國每年的住宅電能消耗總量達13000億kWh。其中，17%來自“插頭負載(plug load)”，耗電量達到2 210億kWh。這部分的電能消耗可劃分為占31.1%(687億kWh)的信息技術產品，占41.3%(913億kWh)娛樂產品,“其他”占27.6%(610億kWh)。圖1顯示了這種電能消耗劃分。 如果只計算IT和娛樂產品的話，其電能消耗就是1 600億kWh。按照每0.1美元/kWh計算，每年的電能支出就是160億美元。將這些用電設備的效率提升20%(務實的目標)，就能夠節省32億美元，可與早前30～60億美元的數字相比，而后者還包含了商業用電部分。 商業用電部分 美國每年的商業部分電能消耗為12 300億kWh，其中9%(1 107億kWh)來自辦公設備。假設辦公設備的電能消耗能夠降低15%，潛在的電能節省達166億kWh，以0.10美元/kWh計算，就接近17億美元。 將不同部分的節省潛能相加 對于美國而言，如果提升常見電子產品的電源效率，結合住宅和商業用電部分能夠節省總額達49億美元的電能開支。更高效的產品工作模式設計所帶來的節省還能夠產生更多的效益。 功率是如何損耗的，針對功率損耗采取了什么措施 在電子設備，功率損耗分為兩部分，分別是待機損耗和工作損耗。待機損耗在設備(計算機、電池充電器、電視機等)關閉時出現，這時設備仍在消耗功率；而工作損耗則是由通常在電源中的電源轉換階段的低效所導致。在家庭應用中，待機損耗預計占到總損耗的25%，而工作損耗占余下的75%。 近年來，所做的很多工作都旨在提升公眾對電能節省的興趣，而世界各國政府啟動了很多自愿性和強制性的項目來促進更高效產品的設計和電能更被善用。在美國，最成功的一個例子就是“能源之星”(ENERGY STAR)，這是一個自愿性項目，旨在推廣更高效的產品，并鼓勵消費者來購買這些產品。“能源之星”項目的基本途徑是調查現有產品，并設定一個產品要獲得ENERGY STAR標簽所必須符合的閾值，如圖2所示。 圖2 獲得針對外置電源的ENERGY STAR標簽。 另外一個例子：80 PLUS計劃 如http://www.80plus.org/網站上所述，“80 PLUS計劃是一個開創的平臺，聯合電力公用機構、計算機產業和消費者，在計算機和服務器應用中，以突破性的方法來推廣高能效電源。”這規范要求在滿載的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。這個計劃啟動于2004年，由美國的Ecos Consulting管理。如今，超過450款臺式電腦電源已經獲得80 PLUS標簽認證。此后世界各地出現了越來越多的類似規范。 功率因數校正 除了低待機能耗和高工作效率，第三個要求——高功率因數，通常也非常重要，80 PLUS規范對此就有要求。在大多數國家，在連接至主電源的輸入功率為75W或更高的產品中需要低輸入電流諧波。在開關電源中，這個要求通常以增加功率因數校正(PFC)升壓預穩壓器來實現。這種升壓預穩壓器改變輸入電流，來匹配輸入電壓。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。這就節省了電力公司生產無功功率的成本，并將電力基礎設施高昂的擴展成本減到最小，為電網提供更大的電流。 電源電子設計人員面對的三重挑戰 在待機能耗和工作效率要求之外再增加PFC要求，就構成了當今節能型電源轉換的景象。如今的電子產品包括電源的設計人員，必須洞悉這三項要求，并且隨時準備在設計的時候將其考慮在內。僅就清楚這三項要求而言就是一項挑戰，因為世界各地圍繞這些要求的規范標準正不斷涌現。 為了符合這些不斷演進的要求所面對的挑戰，電源管理制造商協會(PSMA)，www.psma.com，已經開發出一個交互式能量規范數據庫，方便電源設計人員快速地瀏覽不同地區、應用、國家或機構的規范。如今，隨著不同規范易于獲知，設計人員已經準備好為拯救地球展開工作！ 電源能效設計 我們可以想象，新的電源高度依賴于半導體——二極管、開關晶體管和控制IC——這些器件讓電源設計人員能夠設計出高能效的電源轉換電路。半導體公司共同支持此項事業，設計出具有低待機能耗、高效電源轉換和功率因數校正的產品。為推動采用這些新器件，推出“參考設計”針對特定應用，而這些參考設計通常伴隨有工作電路板版本的設計，并備有完整文檔。設計人員能夠測試參考電路板、針對具體應用進行修改，并以最短的時間和最低的風險得到最終設計。 當80 PLUS最初開始出現時，安森美半導體推出了用于臺式電及的其中一款GreenPoint參考設計，而它是第一款符合嚴格的80 PLUS要求的公開參考設計。這參考設計套件免費提供給電源制造商，已經廣泛用于符合高能效要求。這是高能效設計符合大批量消費產品市場嚴格的低成本要求的一項明證。 |
