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電源廠家分享電源適配器能效技術進展

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電源廠家分享電源適配器能效技術進展

節(jié)能環(huán)保是21世紀世界各地必須面對的問題。作為電子設備，尤其是便攜式電子設備主要能源配件的 電源適配器的生產(chǎn)量卻在增加，而 電源適配器在將交流電網(wǎng)高電壓轉(zhuǎn)換為一個穩(wěn)定的直流或交流低電壓的過程中，就會有能量損失。測試數(shù)據(jù)表明，一些 電源適配器的轉(zhuǎn)換效率只有20％～40％，而高效的 電源適配器轉(zhuǎn)換效率可高達90％，據(jù)測算，高效電源設計能夠節(jié)省15％一20％的電能，因此，美國、加拿大和歐盟等國家或地區(qū)陸續(xù)推出了與能效有關的認證和法規(guī)。如美國的能源之星等，這些認證和法規(guī)都涉及了 電源適配器產(chǎn)品。目前這些認證絕大多數(shù)是非強制性的，但在一些具體的活動中，它卻作為強制性的指標列入到有關的政府采購或其它的大宗交易合同中。一些地區(qū)強制性的法規(guī)早就頒布，比如從2006年7月1日起，美國加州能源委員會(CEC)針對AC—DC與AC～AC 電源供應器的能源使用效率實施全新的強制性標準，基本上各種電子設備都受到影響。該標準包含了各種使用 電源供應器(如充電器和適配器)的產(chǎn)品，涉及手機、家用無線電話、便攜式音樂播放器、掌上游戲機、玩具等，并標準這些產(chǎn)品在待機與使用狀態(tài)下以更有效率的方式運用能源。歐洲委員會于2004年頒布了修訂后的《 電源適配器變換器能效管理法規(guī)》，并于2005年1月l13起對外部電源適配器變換器、電源適配器、充電器的能效指標按該法規(guī)做好強制性管理，標準歐洲各采購商將”符合該法規(guī)的能效標準”作為采購標準。
對于電源適配器產(chǎn)品保有量快速增長的中國來講，提升  電源適配器的能效是非常好的減少能源消耗的方法，從而減少對環(huán)境的不良影響。現(xiàn)階段對于 電源適配器的能效認證工作正在開展，如中標能效認證及其CQC能效認證．在2007年12月頒布了強制性的 電源適配器能效標準。這篇文章詳細介紹了國內(nèi)外對外部電源適配器在能效層面的標準及趨勢，及其電源適配器在能效優(yōu)化層面的技術動態(tài)。運用測試設備對不同的電源適配器做好了檢驗，并對檢驗結(jié)果做好了研究，強調(diào)了能效技術的發(fā)展對電源適配器提出的新標準。
2 各國對電源適配器能效的需求
現(xiàn)階段各國對于外部電源的能效需求，常見集中在額定輸出功率小于250W的單路輸出式交流一直流或交流一交流外部電源。包含的類型常見有：把交流電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為直流低電壓；每次使用時只出示1個固定的直流電壓輸出；與用電負荷配套；可與用電負荷分離；利用電線、電纜或一些永久性連線與終端產(chǎn)品連接等。這里的外部電源適配器是指封裝在一個與被其供電的整機相互獨立的機殼中，不包括直流一直流電源變換器，也不包含內(nèi)裝電源單元。兩者有共同的優(yōu)點，一般都不帶電源開關，也因為電源轉(zhuǎn)換效率不可以達到100％，所以空載和帶負荷工作兩種情況下都損耗電功率。現(xiàn)階段各國標準都要求了無負荷功耗及其最小活動模式效率。所有要求都依據(jù)電源的標稱輸出功率標準制定。務必達到的效率值并不是簡單的全負荷效率，而是分別在25％、50％、75％及100％額定輸出功率上所測量的平均效率。這代表著符合規(guī)定的電源務必在整個活動模式工作范圍內(nèi)高效率地工作。對于在100—240V工作的設備，務必在115VAC及230VAE兩種輸入上達到該標準。表1和表2列出了一些法規(guī)和GB20943--2007中節(jié)能評價值的需求對于外部電源的能效要求。

雖然歐盟(Eu)的能源效率目標一般與其它標準相對比較并不嚴格，但EU標準中的無負荷功耗標準要小于能源之星和CEC的相對需求(對于低功率適配器，分別為300mW和500mW。200"／年1月1日后，這個標準又提升到1個新的水平，即對待機能耗的范嗣將限定在O．150～0．500W之間。這導致選擇可達到多項全球標準的電源解決方案更為重要。另一方面，現(xiàn)階段歐盟、CFC法案和中國常見的認證需求在無負荷功耗標準層面只是達到能源之星2006年7月1El前的標準。CFc在2008年1月1El后對所有輸出功率的產(chǎn)品都需求小于0．5w，所以在出口商品層面，無負荷功耗應該是1個需要引起重視的標準。

空載功率消耗要求

3電源適配器能效改善技術發(fā)展
外部電源適配器從結(jié)構(gòu)上還可以分成2個大類。一類是傳統(tǒng)的由硅鋼片、銅線、二極管構(gòu)成的串聯(lián)穩(wěn)壓電源或工頻線性電源，另一種是由電子部件、功率管、鐵氧體磁材等構(gòu)成的高頻電子開關電源。開關電源具備體型小，重量輕，有色金屬少的優(yōu)點，相對而言也具備相對比較高的能效。提升電源適配器的效率還可以表現(xiàn)在元器件的改善和變換器拓撲及控制方式2個層面。
3．1元器件特性的改善在電源適配器能效提升 上的應用元器件特性的改善在能效上的體現(xiàn)最主要的因素就取決于降低系統(tǒng)多余的熱消耗。對電源適配器而言，下面三類元器件較為重要。
(1)功率半導體器件
電源適配器中的功率半導體器件，主要歷經(jīng)下面方法提升 能效：提升 導通和關斷瞬間的速度，降低導通和關斷瞬間的能耗；降低反向泄露電流；降低通態(tài)電阻。這就需求器件具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和關斷消耗及開通消耗小等特性。

雙極晶體管具有開關速度高的特點，但其反向漏電和驅(qū)動功率都比較大，而MO$FET與此恰好向反。絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是結(jié)合了MOSFET與cTP的特點于一身的。IGBT的技術進步實際上是通態(tài)壓降，快速開關和高耐壓能力三者的折中。在它剛出現(xiàn)時，電壓、電流額定值只有600V／25A。歷經(jīng)長期的探討研究和改善，如今IGBT的電壓、電流額定值已分別超過3300V／l200A和4500WI800A。高壓IGBT單片耐壓已超過6500v，一般IGBT的工作頻率上限為20一40kHz，基于穿通(Pr)型結(jié)構(gòu)應用新技術生產(chǎn)的IGBT，可工作于150kHz(硬開關)和300k}Iz(軟開關)。在功率半導體器件所用材料上也獲得了非常大的進步，碳化硅SiC是功率半導體器件晶片的理想材料。其特點是：禁帶寬、工作溫度高(可達600℃)、熱穩(wěn)定性好、通態(tài)電阻小、導熱性能好、漏電流極小、PN結(jié)耐壓高等，有助于生產(chǎn)出耐高溫的高頻大功率半導體器件，將是21世紀最可能成功應用的新型功率半導體器件材料。

用待機芯片的工頻電源適配器

(2)磁性元件
磁性元件是電源適配器中的重要功能元件。是達到能量儲存與轉(zhuǎn)換、濾波和電氣隔離的主要元件。伴隨著消費者對電源適配器的需求越來越高。除了對磁性材料提出了有高的居里溫度．鐵損小，磁通密度大等特性外，伴隨著開關電源開關頻率的提升 ，開關變換器的體積隨之降低，功率密度獲得大幅提升，但開關損耗隨之增加，并且使用更多的磁性器件，因而占據(jù)更多的空間，這種情況下磁性元件內(nèi)部的耦合及磁電之間的耦合變得越來越突出。因為耦合特性不好，漏磁通增多，漏感增大，這樣在開關晶體管導通期間漏感蓄積能量，在開關晶體管截止期間漏感中蓄積的能量釋放，進而在繞組間造成很高電壓。該電壓一方面會對開關管造成損傷，與此同時它加長了開關時間，增加了消耗和噪聲。當這種蓄積能量較多時，釋放期間可能造成振蕩，影響電源適配器正常的開關工作。所以研發(fā)人員對變換器中的磁件做了大量的研究工作，其中磁集成技術在電源適配器中的運用越來越被人重視。如將鐵氧體或其它薄膜材料高密度集成在硅片上，或硅材料集成在鐵氧體上的磁電混合集成技術。磁電混合集成還包括利用電感箔式繞組層問分布電容實現(xiàn)磁元件與電容混合集成等。磁性元件集成技術應用的一個主要難點在于常規(guī)的磁性元件設計方法早已極其繁瑣且必須從不同的方面來思考，如磁芯的尺寸選用，材料與繞組的判定，及鐵損和銅損的評定等。
此外，磁集成技術還必須思考磁通不平衡的問題，因為磁通分布在鐵心的每一部分的等效總磁通量是不同的，有一些部分可能會提前飽和。所以，磁性器件集成的分析與研究將會越來越復雜。但其所產(chǎn)生的高功率密度的優(yōu)點，必是今后電源適配器發(fā)展的趨勢。自1995年到現(xiàn)在，美國電力電子系統(tǒng)中心(cPEs)對磁性器件集成作了非常多的研究工作，使用耦合電感的概念對多相BUCK電感集成做了深入研究15J51且運用于各種各樣不同類型的變換器中。2002年，香港大學Yim—ShuLee等人也指出多方面針對磁集成技術的研究與構(gòu)思。
(3)電容
不同的電容在電源適配器中的作用：濾波電容作為線性濾波元件用于抑制外部噪音進入電源適配器內(nèi)部以及內(nèi)部噪聲外出，比如一般所說的x電容是用來抑制正態(tài)噪音的．而Y電容是用來抑制共模噪音。吸收電容可吸收開關管、變壓器、電感等產(chǎn)生的浪涌，用于保護開關電路。平波電容用于平滑紋波電流。一般要求電容的體積小、泄漏電流小、等效串聯(lián)電阻(ERS)／J',。當有電流利用電容時，ERS小，電容自身的發(fā)熱就小，對能效的改善是有益的。
現(xiàn)階段研究的關鍵是開發(fā)適合于功率電源適配器系統(tǒng)用的新型電容器和超級大電容。要求電容量大、等效電阻(EsR)小、體積小等。美國KEMET電子公司在20世紀90年代末已開發(fā)出330¨F新型固體(SolidTantalum)電容，其ESR從原來的500ml／降到30mfl門。
3．2電路結(jié)構(gòu)的改善在電源適配器能效提升 上的運用
(1)待機節(jié)能芯片解決工頻電源適配器能耗問題的方法
過去因為線性電源固有的特點，提升 其能效、降低空載功率消耗是十分困難的，應對著各種各樣法規(guī)的要求，它面臨被最后取代的風險。可是因為其節(jié)省成本的優(yōu)點依然吸引著大家利用電路結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變而達到能效要求的目的。如圖1所示。利用高靈敏度的電流檢測技術(如霍耳傳感器)檢測在負載端的工作電流情況，經(jīng)弱信號涮理電路和高靈敏度的比較器來解決，利用待機節(jié)能芯片判定是不是開啟內(nèi)部開關為變換電路供電。其關鍵技術之一是自帶高壓電流源，它能夠直接從高壓端與電源芯片相連啟動電源。當電源適配器啟動后，內(nèi)部高壓電流源關斷，由輔助電源適配器供電。這樣既能夠降低啟動消耗又可以有效確保響應時間。深圳光華源科技有限公司最新推出待機節(jié)能芯片NA22150P用于外部電源適配器，進而使外部實現(xiàn)超低待機耗能(≤0．1W)％
(2)開關電源的諧振型開關技術
開關電源的控制方式從大類分為兩種：脈沖寬度調(diào)制方式(PWM)和諧振方式。PWM中采用的開關是在大電流和高電壓處關斷的，在開關瞬問，開關管自身必然消耗大量的功率，降低了電源適配器的能效。采用諧振型的技術實施的是軟轉(zhuǎn)換，它在電流或電壓波形的過零處關斷開關，開關的消耗遠遠小于PWM方式，近乎為零。與此同時，因為PWM技術同有的開關損耗使其無法在高頻段工作，一般只能工作在400—500kHz。而諧振型的開關方式能夠工作在200kHz一1MHz。較高的開關頻率可減小變壓器和輸出濾波器的尺寸，減小電源適配器的紋波系數(shù)。
(3)跳周期
跳周期是一類常見的降低待機耗能的方法。現(xiàn)階段，為提升 電源效率．一般采用開關電源模式，開關頻率在幾十千赫茲到兒百千赫茲之間，某些產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)上兆赫茲。
因為開關次數(shù)高，在電源適配器的總體消耗中，尤其是在高頻、高電壓、大電流應用中，開關損耗占了非常大的比例。而在待機時輸出負載要求很低。安森美半導體電源管理芯片能夠內(nèi)部集成比較器，利用監(jiān)測反饋信號，當負載降低時使驅(qū)動信號的非連貫簇脈沖替代連續(xù)脈沖。安森美半導體的PWM控制器如NCPl2XX系列均具有跳周期功能，利用跳周期的方式可有效降低待機耗能，滿足常見的待機標準。
(4)頻率回走
頻率回走常見于小功率的情況。常說的的頻率回走指的是當負載降低時。利用降低原來的開關頻率來降低開關損耗。安森美半導體的PWM控制器NCPl215,rNCPl351采用這種待機形式，在輕載或空載時延長時間使開關頻率降低，以實現(xiàn)低耗電的目標。此技術應用于充電器可以讓其待機功率在0．3w以下191。
4結(jié)語
電源適配器能效改善是一個持續(xù)演進的過程，廠家必須不停地改善原材料、元器件及電源電路的拓撲結(jié)構(gòu)。在生產(chǎn)成本允許的條件下，能否及時地將能效新技術投入到產(chǎn)品中去，必須來自各方面的推動。政府和認證機構(gòu)通過了解市場和技術的發(fā)展水平，提出新的要求，引進新的技術，可引領廠家向更高的目標前進。

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| 發(fā)布時間：2020.12.26    來源：
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