电源电子技术在降低能耗中的角色

全世界对能源消耗的关注日渐增加。作为减少能源消耗的两种方式，能源节省需要个人的自觉性加社会决策，而能效提升就纯粹是一个技术问题。美国使用的电能中的3%在电子电源转换过程中耗散为热量。因此电源电子产业，包括半导体公司、电源公司和终端产品制造商正在努力使这些损耗减少一半。他们所采用的方式就是提升大批量消费电子产品中的电源转换效率并降低待机能耗。当然，减少这些损耗不是最终目的，实现更高系统性能和更低成本才是真正的目标。

本文探讨电子产品中的能量损耗并探讨用于减少能量损耗的技术。如果广泛应用这些技术，潜在的能源支出将节省达到每年600亿美元。如果你是电源电子产业的专才，这就是你跻身“绿领”的机会。

一些实据

如今，美国每年的碳排放量是27.5亿吨。如果延续当前的轨迹，到2050年将增加超过40%。这排放的一大来源便是烘烤和烹调系统、照明、电器和电子设备中所使用的电力。电源电子工程师在保护地球宝贵的资源中能够发挥重要的作用。下面是一个简要分析。

1 美国所有电力应用中的6%～10%是在电源从交流(AC)转换到直流(DC)。

2 由于现有电源效率欠佳，美国所有电力消耗的3%～4%是在电源内部消耗的。



图1 一个美国典型家庭中不同插头负载的电能消耗比例

3 以更好的设计、使用IC控制器、场效应管(FET)和二极管等最新的电子元器件来增加电源的效率，能节省美国所有电力消耗的1%～2%，也就是每年30～60亿美元的节省潜能。

上述分析提供了电源转换机会的宽泛估计，但缺乏必要的详细数据，那么，就让我们研究得更深一点……

住宅用电部分

美国每年的住宅电能消耗总量达13000亿kWh。其中，17%来自“插头负载(plug load)”，耗电量达到2 210亿kWh。这部分的电能消耗可划分为占31.1%(687亿kWh)的信息技术产品，占41.3%(913亿kWh)娱乐产品,“其他”占27.6%(610亿kWh)。图1显示了这种电能消耗划分。

如果只计算IT和娱乐产品的话，其电能消耗就是1 600亿kWh。按照每0.1美元/kWh计算，每年的电能支出就是160亿美元。将这些用电设备的效率提升20%(务实的目标)，就能够节省32亿美元，可与早前30～60亿美元的数字相比，而后者还包含了商业用电部分。  

商业用电部分

美国每年的商业部分电能消耗为12 300亿kWh，其中9%(1 107亿kWh)来自办公设备。假设办公设备的电能消耗能够降低15%，潜在的电能节省达166亿kWh，以0.10美元/kWh计算，就接近17亿美元。

将不同部分的节省潜能相加

对于美国而言，如果提升常见电子产品的电源效率，结合住宅和商业用电部分能够节省总额达49亿美元的电能开支。更高效的产品工作模式设计所带来的节省还能够产生更多的效益。

功率是如何损耗的，针对功率损耗采取了什么措施

在电子设备，功率损耗分为两部分，分别是待机损耗和工作损耗。待机损耗在设备(计算机、电池充电器、电视机等)关闭时出现，这时设备仍在消耗功率；而工作损耗则是由通常在电源中的电源转换阶段的低效所导致。在家庭应用中，待机损耗预计占到总损耗的25%，而工作损耗占余下的75%。

近年来，所做的很多工作都旨在提升公众对电能节省的兴趣，而世界各国政府启动了很多自愿性和强制性的项目来促进更高效产品的设计和电能更被善用。在美国，最成功的一个例子就是“能源之星”(ENERGY STAR)，这是一个自愿性项目，旨在推广更高效的产品，并鼓励消费者来购买这些产品。“能源之星”项目的基本途径是调查现有产品，并设定一个产品要获得ENERGY STAR标签所必须符合的阈值，如图2所示。



图2 获得针对外置电源的ENERGY STAR标签。

另外一个例子：80 PLUS计划

如http://www.80plus.org/网站上所述，“80 PLUS计划是一个开创的平台，联合电力公用机构、计算机产业和消费者，在计算机和服务器应用中，以突破性的方法来推广高能效电源。”这规范要求在满载的20%、50%和80%下都具有80%或更高的电源效率，并具有 0.9或更高的功率因数。这个计划启动于2004年，由美国的Ecos Consulting管理。如今，超过450款台式电脑电源已经获得80 PLUS标签认证。此后世界各地出现了越来越多的类似规范。

功率因数校正

除了低待机能耗和高工作效率，第三个要求——高功率因数，通常也非常重要，80 PLUS规范对此就有要求。在大多数国家，在连接至主电源的输入功率为75W或更高的产品中需要低输入电流谐波。在开关电源中，这个要求通常以增加功率因数校正(PFC)升压预稳压器来实现。这种升压预稳压器改变输入电流，来匹配输入电压。这就将输入谐波减到最少，并降低了输入电流的均方根(rms)值。这就节省了电力公司生产无功功率的成本，并将电力基础设施高昂的扩展成本减到最小，为电网提供更大的电流。

电源电子设计人员面对的三重挑战

在待机能耗和工作效率要求之外再增加PFC要求，就构成了当今节能型电源转换的景象。如今的电子产品包括电源的设计人员，必须洞悉这三项要求，并且随时准备在设计的时候将其考虑在内。仅就清楚这三项要求而言就是一项挑战，因为世界各地围绕这些要求的规范标准正不断涌现。

为了符合这些不断演进的要求所面对的挑战，电源管理制造商协会(PSMA)，www.psma.com，已经开发出一个交互式能量规范数据库，方便电源设计人员快速地浏览不同地区、应用、国家或机构的规范。如今，随着不同规范易于获知，设计人员已经准备好为拯救地球展开工作！

电源能效设计

我们可以想象，新的电源高度依赖于半导体——二极管、开关晶体管和控制IC——这些器件让电源设计人员能够设计出高能效的电源转换电路。半导体公司共同支持此项事业，设计出具有低待机能耗、高效电源转换和功率因数校正的产品。为推动采用这些新器件，推出“参考设计”针对特定应用，而这些参考设计通常伴随有工作电路板版本的设计，并备有完整文档。设计人员能够测试参考电路板、针对具体应用进行修改，并以最短的时间和最低的风险得到最终设计。

当80 PLUS最初开始出现时，安森美半导体推出了用于台式电及的其中一款GreenPoint参考设计，而它是第一款符合严格的80 PLUS要求的公开参考设计。这参考设计套件免费提供给电源制造商，已经广泛用于符合高能效要求。这是高能效设计符合大批量消费产品市场严格的低成本要求的一项明证。