三大節(jié)能需求顛覆傳統(tǒng)電源設(shè)計(jì)理念

唐曉泉

以串聯(lián)穩(wěn)壓電路為代表的線性電源技術(shù)在不同的電子時(shí)代其具體實(shí)現(xiàn)方式由電子管、晶體管過(guò)渡到了集成電路，但其基本電路原理卻沒(méi)有本質(zhì)性的變化，以“通電即開(kāi)、恒定電壓供給”為默認(rèn)屬性來(lái)定義電子產(chǎn)品中各個(gè)部分的電源供已成為傳統(tǒng)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的潛在規(guī)則。隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)在人們生活中的不斷滲透，為人類(lèi)服務(wù)的電子產(chǎn)品在數(shù)量上不斷增加，其能量消耗已大大超過(guò)了人們生活中照明所用的能源，嚴(yán)峻的能源危機(jī)迫使電源技術(shù)從電子產(chǎn)品的后臺(tái)走向前臺(tái)。顛覆傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)理念，不斷地在電源技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新，是實(shí)現(xiàn)綠色電子產(chǎn)品的重要措施。

家用電器：開(kāi)關(guān)電源日漸普及

除了電視機(jī)外，歷史上以照明、電冰箱、空調(diào)為代表的傳統(tǒng)家用電器曾經(jīng)經(jīng)歷了不含任何電子單元的純電器時(shí)代。那個(gè)時(shí)代的家用電器由于不需要電源單元，或者對(duì)電源單元需求十分簡(jiǎn)單，電源技術(shù)的發(fā)展幾乎與家用電器沒(méi)有任何關(guān)系。

隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的高速發(fā)展，特別是數(shù)字化浪潮的推動(dòng)，在新的數(shù)字化家用電器不斷產(chǎn)生的同時(shí)，電子技術(shù)和信息技術(shù)已開(kāi)始浸入到傳統(tǒng)的家用電器之中。由電子技術(shù)和信息技術(shù)裝備起來(lái)的新一代家用電器的供電模式、能源消耗也發(fā)生了重大的變化，家用電器功能的增加往往以犧牲能源使用效率為代價(jià)：電視機(jī)屏幕尺寸的增加，意味著功耗的增加；傳統(tǒng)的家用電器只要斷開(kāi)機(jī)械電源開(kāi)關(guān)就不消耗能源，而裝備了手感良好的輕觸式控制開(kāi)關(guān)和具互聯(lián)網(wǎng)接入功能的家用電器只要一插上電源插頭，不管它工作與否都要消耗能源。以不犧牲家用電器的其他功能條件，不斷地在家用電器的電源單元上創(chuàng)新，已成為提高家用電器能源使用效率的重要措施之一。

目前開(kāi)關(guān)電源取代線性電源或直接介入家用電器。由變壓器和串聯(lián)穩(wěn)壓電路構(gòu)成的電視機(jī)電源單元曾是黑白電視機(jī)中的標(biāo)準(zhǔn)電源單元。但隨著彩色電視機(jī)的出現(xiàn)，由于彩色電視機(jī)消耗的功率較大，提高彩色電視機(jī)電源單元的轉(zhuǎn)換效率成為降低整機(jī)功耗的重要措施之一。同時(shí)電子器件的發(fā)展使開(kāi)關(guān)電源在價(jià)格上能被彩色電視機(jī)所接受，因此當(dāng)電視機(jī)由黑白過(guò)渡到彩色的過(guò)程中，其電視機(jī)的電源單元也由線性電源過(guò)渡到了開(kāi)關(guān)電源。

開(kāi)關(guān)電源在成功地進(jìn)入電視機(jī)領(lǐng)域之后，借助它在轉(zhuǎn)換效率、體積和重量上優(yōu)勢(shì)，很快取代其他家用電器中線性電源，進(jìn)入到VCD、DVD、音響、充電器等領(lǐng)域。當(dāng)電子技術(shù)進(jìn)入到照明、空調(diào)、電冰箱等純電器構(gòu)成的家用電器領(lǐng)域時(shí)，改變了這些家用電器的工作方式，線性電源不能滿(mǎn)足它們的要求，開(kāi)關(guān)電源直接介入過(guò)去由純電器構(gòu)成家用電器的領(lǐng)域。

提高家用電器的功率因數(shù)已成為現(xiàn)階段電源技術(shù)創(chuàng)新的重要內(nèi)容。目前采用開(kāi)關(guān)電源的家用電器的功率因數(shù)低，其能源的利用率也低。

由于開(kāi)關(guān)電源在家用電器中的大量使用，而且家用電器擁有量巨大，為了提高能源的利用率，目前世界各國(guó)紛紛利用法律和標(biāo)準(zhǔn)的形式規(guī)范家用電器的功率因數(shù)，我國(guó)的3C規(guī)范中明確指出功率大于75W的電器都要加裝功率因數(shù)校正電路(PFC)。目前采用電子電路實(shí)施的主動(dòng)功率因數(shù)校正是目前電源技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。提高家用電器的功率因數(shù)已成為現(xiàn)階段電源技術(shù)創(chuàng)新的重要內(nèi)容，研發(fā)高性?xún)r(jià)比的功率因數(shù)校正解決方案已成為全球半導(dǎo)體供應(yīng)商共同關(guān)注的課題。

便攜產(chǎn)品：動(dòng)態(tài)供電成發(fā)展方向

層出不窮的新特奇功能不斷出現(xiàn)在便攜式電子產(chǎn)品之中。我們?cè)谙硎鼙銛y電子產(chǎn)品中這些新特奇功能時(shí)，也將付出能量消耗增大的代價(jià)。在短期內(nèi)我們不能指望電池技術(shù)取得多大突破，但人們又經(jīng)受不住便攜式電子產(chǎn)品中各種新特異功能的誘惑，使便攜電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)者繼續(xù)在“效率”上花功夫。

為了使便攜式電子產(chǎn)品的功耗降到最低，在便攜式電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，以降低功率消耗為最優(yōu)目標(biāo)，根據(jù)便攜式電子產(chǎn)品中各單元的具體特性分別提供優(yōu)化后的電源，已成為目前便攜式電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)模式。在該模式下，電源技術(shù)由單純的提供恒定的電壓的靜態(tài)供電模式，逐漸轉(zhuǎn)向管理負(fù)載用電的動(dòng)態(tài)供電模式。在靜態(tài)供電模式下，根據(jù)能源消耗最低原則，在便攜式電子產(chǎn)品內(nèi)部根據(jù)不同功能單元的特性提供不同電壓等級(jí)的恒定電壓。最簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)供電模式是便攜式電子產(chǎn)品的電源單元不僅要提供多個(gè)不同電壓等級(jí)的電壓，而且還要根據(jù)其負(fù)載的特性隨時(shí)開(kāi)啟、關(guān)閉相應(yīng)的供電回路。

為了進(jìn)一步地降低便攜式電子產(chǎn)品的功耗，一種根據(jù)集成電路工作狀態(tài)分別要求不同工作電壓等級(jí)節(jié)能降耗技術(shù)已進(jìn)入實(shí)用階段。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司宣布推出一款采用數(shù)字技術(shù)控制的PowerWise能源管理單元(EMU)LP5550,它可與本公司的功率控制器及ARM公司的智能能源管理(IEM)技術(shù)搭配一起使用，可將數(shù)字處理器核心的功耗減少達(dá)70%。

汽車(chē)電子：規(guī)范第二類(lèi)電器功耗

根據(jù)供電方式不同，在汽車(chē)中的電器單元可分為兩類(lèi)：第一類(lèi)是發(fā)動(dòng)機(jī)工作后才供電的電器；第二類(lèi)是由汽車(chē)上電瓶永久供電的電器。

第一類(lèi)電器在電子與電器融合的汽車(chē)電子時(shí)代，汽車(chē)電源技術(shù)成為汽車(chē)電子中的一個(gè)重要組成部分。如何提高低電壓大電流狀態(tài)下電源的轉(zhuǎn)換效率已成為汽車(chē)電源技術(shù)的特殊要求，尋求更低內(nèi)阻的半導(dǎo)體功率器件是提高汽車(chē)電源的轉(zhuǎn)換效率的重要措施之一。

第二類(lèi)電器在不含電子的純電器時(shí)代也不存在電源方面的問(wèn)題。但在汽車(chē)電子時(shí)代，電源也成為這類(lèi)電器的一個(gè)重要組成部分。由于這類(lèi)電器由汽車(chē)上的電瓶永久供電，它們消耗的電能也是持續(xù)的。和采用220V交流電供電的家用電器和采用電池供電的便攜式電子產(chǎn)品相比，汽車(chē)電器的供電方式十分特殊。汽車(chē)電瓶中的電能是由發(fā)動(dòng)機(jī)上發(fā)電機(jī)提供的，而發(fā)動(dòng)機(jī)是由貯存在電瓶中的電能來(lái)啟動(dòng)的，也就是說(shuō)如果汽車(chē)電瓶中沒(méi)有電，就不能啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，電瓶就不能從發(fā)動(dòng)機(jī)上獲取電能，必須由車(chē)外為汽車(chē)中的電瓶充電后才能啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作。因此為了保證汽車(chē)在有效的停駛時(shí)間內(nèi)，電瓶中貯存的電能不因第二類(lèi)電器的消耗而影響汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，這就強(qiáng)制要求將整車(chē)第二類(lèi)電器能源消耗限制在規(guī)定的范圍內(nèi)。

隨著電子信息技術(shù)在汽車(chē)中的不斷滲透，汽車(chē)上的電子裝置越來(lái)越多，它們所消耗的電能也越來(lái)越多，電池的容量限制制約了整車(chē)第二類(lèi)電器的總能源消耗，而人們不可能因?yàn)殡姵厝萘康脑蚨艞壪硎芨鞣N汽車(chē)電子給人們帶來(lái)的快樂(lè)，這就迫使汽車(chē)電子設(shè)計(jì)者降低單臺(tái)汽車(chē)電子裝置的功耗、提高能源的利用率上下功夫。家用電器和便攜式電子產(chǎn)品利用電源技術(shù)為電子產(chǎn)品的節(jié)能研發(fā)出了許多切實(shí)可行的技術(shù)方案與措施，結(jié)合汽車(chē)電子的特點(diǎn)，通過(guò)電源技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新，為提高汽車(chē)電子的能源利用率探索出有效的技術(shù)方案和措施，這將是汽車(chē)電子業(yè)面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

專(zhuān)家觀點(diǎn)

降低待機(jī)功耗成家用電器追求目標(biāo)

持續(xù)降低家用電器的待機(jī)功耗是家用電器電源技術(shù)不斷追求的目標(biāo)。家用電器在裝備了手感良好的輕觸式控制開(kāi)關(guān)、各種搖控開(kāi)關(guān)和具互聯(lián)網(wǎng)接入功能后，這些家用電器只要一插上電源插頭，即使它們不工作，也會(huì)消耗能量。現(xiàn)代家用電器這種插上電源插頭而不工作的狀態(tài)，就是所謂的待機(jī)狀態(tài)，家用電器在待機(jī)狀態(tài)消耗的能量稱(chēng)為待機(jī)功耗。

和工作狀態(tài)相比，家用電器的待機(jī)功耗雖然相對(duì)較小，但待機(jī)狀態(tài)是持續(xù)的，日積月累，其數(shù)量是不可忽視的。據(jù)飛兆半導(dǎo)體統(tǒng)計(jì)，一臺(tái)普通電視機(jī)每年的待機(jī)功耗為32.94kW，以2004年全球銷(xiāo)售的電視機(jī)統(tǒng)計(jì)，如果2004年全球銷(xiāo)售的每臺(tái)電視機(jī)都能節(jié)省25.64kW，那么每年大約可節(jié)省4.28TW，足以滿(mǎn)足數(shù)百萬(wàn)個(gè)家庭的電能需求。為了節(jié)約能源，世界各國(guó)制定了約束電器待機(jī)功耗的法規(guī)，全球范圍內(nèi)倡議待機(jī)功耗低于1W；歐盟提議充電器的待機(jī)功耗低于0.1W，現(xiàn)遵從IEA0.3W建議；中國(guó)3C規(guī)范針對(duì)諧波(Harmonic)和EMC彩電綠色電源規(guī)定低于3W。

由于開(kāi)關(guān)電源并不是在全功率范圍內(nèi)都能保持一個(gè)相當(dāng)高的轉(zhuǎn)換效率，在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)保證了家用電器正常時(shí)的轉(zhuǎn)換效率，就不能保證它在待機(jī)狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換效率。家用電器在引入了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)、功率因數(shù)校正技術(shù)之后，過(guò)去便攜式電子產(chǎn)品中特有的電源管理技術(shù)又開(kāi)始在家用電器中展現(xiàn)身手。根據(jù)家用電器的特點(diǎn)，探索降低家用電器待機(jī)功耗的電源管理技術(shù)，提供切實(shí)可行的解決方案，將是全球相關(guān)行業(yè)面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

來(lái)源：中國(guó)電子報(bào)