電源適配器必須能夠安全使用并將用戶與致命的交流電源電壓隔離。適配器或外部電源還不得在使用和空載模式下產生不必要的功耗，從而破壞環(huán)境。此外，它們不得通過傳導或輻射電磁發(fā)射損壞或干擾其他設備。
標準也適用于這些考慮因素，有些是強制性的，有些是自愿的。申請和使用國家也需要審查。同樣，電源適配器必須具有國際標準中規(guī)定的傳導和輻射發(fā)射抗擾度，并指定不同級別，代表不同的最終使用環(huán)境。
本文總結了適配器效率和空載/待機損耗的要求。它還解釋了目前在美國、歐洲和世界其他地區(qū)適用的標準。電磁兼容性 (EMC) 標準也需要考慮;同樣，存在地區(qū)和應用差異。例子包括符合國際標準并適合世界各地市場的產品。
了解電源適配器效率
在理想的情況下，電源適配器應該是 100% 節(jié)能的。然而，電力轉換過程(無論是從交流電到直流電還是從直流電到直流電)都涉及到許多分立元件的使用，其中一些元件會產生能量損失。通常，在任何開關模式電源設計中，總體損耗都是由多個不同部件上的大量少量損耗引起的。用于開關的電感器和半導體會造成損耗，但絕不是唯一的組件。
電力電子設計人員可以通過輸出功率除以輸入功率來計算交流/直流電源適配器的能效，并將結果顯示為百分比。例如，如果適配器在 4 A 電流下提供 12 V DC的滿載輸出，則相當于 48 瓦輸出。在交流輸入方面，假設功率因數為 1，則 220 V交流電和 0.25 A 電流可提供 55 瓦的輸入功率。因此，電源適配器的效率為 87%。
在此示例中，輸入和輸出功率之間的差異導致需要消散 7 瓦的廢熱。廢熱是電源適配器設計中的一個重要因素。首先，適配器的環(huán)境溫度會對組件可靠性產生負面影響。電源適配器的效率越高，散發(fā)的廢熱就越少，因此適配器在運行過程中就越可靠。組件可靠性的提高可延長適配器的使用壽命。
此外，保持電源適配器的高效率意味著不需要風扇輔助冷卻，并且僅通過傳導冷卻即可消除產生的廢熱。在選擇交流/直流電源適配器時，設計工程師會找到適配器數據表中引用的能效等級。
電源適配器效率的另一個考慮因素是它不是靜態(tài)的。任何轉換電路的功率效率都會隨著施加在其上的負載的變化而變化。通常，適配器輸出上的功率負載越低，功率轉換過程的效率就越低。效率還取決于輸入交流線路電壓，因此檢查數據表以了解其可以適應的交流輸入范圍至關重要。
此外，工作溫度會影響效率，并且一些適配器會隨著溫度升高而降低其最大功率輸出。對于產品設計工程師來說，了解最壞情況下的效率等級至關重要，以防需要任何額外的冷卻方法。
能源效率標準
隨著能源使用成為全球關注的焦點，人們更加關注電源適配器的效率。能源效率立法首次出現于 2004 年，當時加州能源委員會 (CEC) 制定了第一個正式的能源效率標準?，F在，世界上大多數地區(qū)都有強制性能源效率標準，規(guī)定任何電源或適配器所需的最低效率水平。在某些情況下，某些國家/地區(qū)采用了美國或歐洲標準，而不是制定單獨的立法。
自 CEC 最初規(guī)范以來，允許的效率限制已經進行了多次迭代。美國目前的標準是能源部 VI 級 (DoE Level VI)，而在歐洲，自 2020 年 4 月 1 日起，它受到 Ecodesign 2019/1782 指令的涵蓋。這些標準不僅適用于電源適配器，還適用于包括電源適配器和最終產品的整個系統。
多年來，人們越來越關注供電產品處于待機模式時消耗的能量。人們通常認為待機模式(也稱為空載條件)下的功耗相對較小，但不幸的是，情況往往并非如此。一般來說，DoE VI 級標準和 Ecodesign 2019/1782 標準相似，但有一個例外。 Ecodesign 2019/1782 要求在 10% 平均負載條件下測試效率(圖 1和圖 2)。
圖 1概述了單電壓外部交流/直流電源適配器的美國能源部 VI 級能效參數。
歐洲行為準則(CoC)Tier 1標準于2014年引入了10%負載功耗限制，其要求比DoE VI級規(guī)范要求寬松。 Ecodesign 2019/1782 標準于 2020 年 4 月成為法律，符合 DoE VI 級平均主動效率要求，盡管它不如仍然有效的 CoC Tier 2 標準嚴格。 Ecodesign 包括 10% 負載效率測試，但沒有強加要求。
圖 2歐洲 CoC Tier 2 規(guī)范概述了嚴格的能效要求。
提高電源適配器效率
最近的半導體工藝技術進步正在幫助電源設計工程師提供更高效的電源適配器。正如本文前面提到的，電源適配器效率損失的主要來源之一是開關晶體管。現在可以使用基于碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙 (WBG) 半導體材料的開關晶體管。
基于 WBG 的晶體管除了表現出明顯更高的擊穿電壓外，其開關和傳導損耗也比硅晶體管低得多。使用 GaN 基半導體還可以帶來更多好處，允許轉換過程在更高的開關頻率下運行。提高開關頻率意味著一些體積較大的元件(通常是電感器)的尺寸可以顯著減小。
使用 GaN 開關晶體管的電源適配器的一個示例是SDI200G-U桌面外部電源適配器。它可以持續(xù)提供 200 瓦的輸出功率，并且能效等級為 95%，符合 DoE VI 級和 CoC Tier 2 能效規(guī)范。與硅基電源適配器相比，SDI200G-U 桌面適配器的開關頻率有所提高，尺寸減小了一半，重量減輕了 32%。
EMC 和 EMI 考慮因素
另一組國際標準規(guī)定了電源適配器可能產生的最大電磁輻射水平。在任何開關模式電源或適配器中，大部分電磁噪聲發(fā)射都來自開關電路。發(fā)射分為兩個不同的類別：傳導和輻射。
當電磁噪聲沿著連接線傳播到直流輸出而離開適配器時，就會發(fā)生傳導發(fā)射。因此，意外發(fā)射可能會干擾適配器供電的產品的正常運行。此類發(fā)射通常是 10 kHz 至 30 MHz 范圍內的低頻。在 30 MHz 以上，適配器的內部導體充當天線，導致不需要的噪聲信號的輻射。
電源適配器需要符合相關的EMC標準。隨著家庭、辦公室和汽車中電子設備和裝置數量的增加，對電磁合規(guī)性測試的需求也越來越大，以便一臺設備不會干擾或破壞另一臺設備的運行。
在美國，聯邦通信委員會 (FCC) 第 15 部分標準規(guī)定了傳導和輻射電磁干擾 (EMI) 的限制。在歐洲，適用與 FCC 第 15 部分一致的 CISPR 32 標準。兩者都定義了 A 類和 B 類設備的限制。 A 類涵蓋了用于商業(yè)和工業(yè)場所的各種設備，B 類涵蓋了用于住宅環(huán)境的設備。
圖 3顯示了歐洲 CISPR 32 傳導和輻射雜散發(fā)射的場強限制。
圖 3 CISPR 32 標準定義了傳導和輻射發(fā)射的場強限制。
電源適配器設計人員使用各種濾波技術和組件來減少不必要的發(fā)射。如圖4所示，交流線路上的電容器形成共模和差模濾波器布置，以衰減從適配器傳導出的任何噪聲。
圖 4共模和差模濾波器可衰減從電源適配器傳導出的噪聲。
在直流輸出側，正極線和負極線之間的電容器可減少任何不需要的噪聲發(fā)射。輸出中的串聯電感器與鐵氧體磁珠一起經常用于限制任何輻射。
選擇合適的交流/直流電源適配器時，安全并不是唯一的考慮因素。確保電源適配器符合可能使用它的國家/地區(qū)的能效要求是一項基本要求。此外，符合適當的 EMI 標準將確保電源不會干擾或破壞其他設備的運行。
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