通过改进转换器设计来降低能耗(图)

　　在美国使用的全部电能中有大约3%以热量的形式浪费在能量转换过程中

　　全球正越来越关注能耗问题。降低能耗有两种方式，其中，节能需要个人/社会有意识的制定相关策略，而改进能效则是一种纯技术性的方式，对于终端用户是透明的。

　　在美国使用的全部电能中大约有3%以热量的形式损耗在能量转换过程中。包括半导体公司、供电公司和终端产品制造商在内的能源电子行业正努力通过提高能量转换的效率，降低大量消费电子产品的待机功耗，将这种热能损耗减少一半。

　　本文纵览了电子产品的能量损耗情况，回顾了降低能耗的一些关键技术。如果这些技术得以推广应用，那么每年由于节能而带来的潜在效益将达到600亿美元。如果你是一位能源电子行业的专家，那么希望本文能够给你带来一些启发。

　　能源现状

　　当前，美国排放的碳量达到了 2.75Gt/年，如果按照目前的趋势持续下去，这一排放量将在2050年增长40%。电子工程师（尤其是能源工程师）在节能探索方面将大有作为。

　　在全美使用的电能中大约6%～10%是从交流电转换为直流电的。通过提高电源的供电效率，全美消耗的电能可以节省1%～2%——这相当于每年可节省30～60亿美元。

　　住宅部分

　　美国的居民住宅每年大约消耗13000亿千瓦时的电能。其中，17%的电能消耗在“插塞负荷”（plug loads）上，总量约为2210亿千瓦时。将这一能耗进行分解，其中IT产品消耗31.1%，娱乐消耗41.3%，其他活动消耗27.6%。

　　图1 电子产品必须达到能效阈值才能获得外部电源的能源之星标志

　　近几年，人们采取了很多措施提高公众对节省电能问题的重视，世界上很多国家的政府都启动了自愿的和强制的计划，促进企业设计更高效的电子产品，以更加负责任的态度使用电能。在美国最成功的一个例子就是“能源之星”，这是一项促进研发更高效产品，鼓励消费者购买这类产品的自愿性计划。其方法是，调查现有产品的能耗情况，然后为这类产品设置一个必须达到的能耗阈值并给达标的产品授予能源之星标志。图1给出了功率输出小于200W的外部电源能效改进有源模式，其中还包括没有负载情况下的功耗准则。

　　80 PLUS计划

　　根据www.80plus.org网站所宣称的，“80 PLUS计划是一个独特的论坛，它以极富创造力的工作联合电子行业、计算机行业和消费者，将高能效的电源应用到台式电脑和服务器中。”80 PLUS的节能规范要求在20%、50%和80%的全负荷下，电源效率应达80%以上，功率因数达到0.9以上。已经有450多种台式电脑的电源获得了80 PLUS标志。其他类似的节能规范遍及世界各地。

　　功率因数补偿

　　按照80 PLUS节能规范，除了无负荷和有源模式下的性能，第三项节能指标——功率因数——通常也很重要。在大多数国家中，对于连接市电输入功率为75W以上的产品要求具有较低的输入电流谐波。在开关式电源中，人们通常增加一个功率因数补偿增强预调器，对输入电流进行整形，使之与输入电压相匹配，从而满足这一节能指标的要求。这种方式截断了输入谐波，因而减小了输入电流的rms值，节省了电力公司生产无功功率的成本，减少了为了向电网提供更大电流而扩大电力基础设施的投资。

　　图2 ON Semiconductor公司推出的80 PLUS参考设计是一个满足大批量消费电子产品市场严格的低成本要求的高能效设计范例

　　功率电子产品设计者面临的挑战

　　为了应对不断发展的节能目标带来的挑战，电源制造商协会（PSMA，www.psma.com）构建出了一种交互式能源管理数据库（energy regulation data base），用户通过该数据库能够按区域、应用、国家/地区或者机构快速查询其能源法规。这样一来，设计人员就能够很方便地掌握各种节能指标的要求，进而在设计过程中采取必要的节能手段。

　　基于能效的设计

　　可以想到的是，这些新型电源将在很大程度上依赖于半导体技术——二极管、开关晶体管和控制IC。半导体公司已经意识到了提供兼容性产品的必要性。为便于推广这些新型器件，通常针对特定的应用推出一些参考设计，并且伴随PCB的设计提供详细的说明文档。

　　在80 PLUS计划刚刚出台时，ON Semiconductor公司就推出了面向台式电脑电源产品的一款GreenPoint参考设计，这是满足80 PLUS节能指标要求的第一个开放式设计。这一设计套件面向对此感兴趣的电源产品制造商免费提供，并且得到了广泛应用，以满足高效节能指标的要求。它是一个满足大批量消费电子产品市场严格的低成本要求的高能效设计范例。该参考设计的的模块图如图2所示。