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浅谈待机能耗问题及其电源解决方案
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1．引言
随着家用电器、视听产品的普及，办公自动化的广泛应用和网络化的不断发展，越来越多的产品具有了待机功能，例如电池充电、遥控、数字显示、定时、触控与保温功能等等， 以随时满足使用者的要求。这些新产品、新技术在极大地方便我们生活的同时，也造成了大量的能源浪费。举例而言， 数字电视的待机能耗在l～5 W 左右，机顶盒待机能耗20～40 W 左右， 个人计算机和显示器待机能耗5～1 0 W 左右，手机充电器待机能耗0.5～1 W 左右。根据国际经济合作组织的一项调查称，各国因待机而消耗的能量约占能耗总数的3％～13％。统计数据为：澳大利l 2％ 左右， 韩国1l％ 左右， 德国10％ 左右， 英国8％ 左右， 日本7％ 左右， 美国5％ 左右， 芬兰5％左右。目前我国城市家庭的平均待机能耗已经占到了家庭总能耗的10%左右，相当于每个家庭使用着一盏15~30W 的"长明灯"。 待机能耗像一只隐形的吸血虫，在浪费能源的同时形成了巨大的环保压力。
国际能源署(IEA)于2000 年向全球电器产品生产销售厂商发起节能倡议"1瓦计划"，现已经得到欧盟、美国的积极响应，到2010 年所有出口到这些地区的电器产品其待机功耗必须降低到1 瓦，这将成为所有已经进入和试图进入欧美市场的电子产品厂商们新的非关税壁垒。
2．电子电器待机能耗现状调查
"待机能耗"是指具有待机功能的电器设备在不使用的时候，没有断开电源所发生的电能消耗。具有待机能耗的电器设备主要有空调、电脑与通讯系统（包括电脑主机、显示屏、电脑音响、打印机、扫描仪、充电器、路由器等）、家庭视频与音频系统（包括电视机、DVD、VCD、音响、功放、机顶盒、卫星接收器等）。为了避免频繁插拔电器插头的麻烦，或是为了保存对电器使用状态的设置，许多用户很习惯地采用不断开电源而仅用遥控器方便的闭合电器，使电器长期处于待机状态。待机功能在为居民用户提供便利的同时，也造成了大量的能源浪费。
据上海电力公司近期组织的一项调查显示，该市空调、家庭视频与音频系统、电脑与通讯系统这三类主要家用电器的待机能耗总量约为7 亿千瓦时，如果平均每发电1 千瓦时，需要消耗468 克原煤，那么将白白浪费30 多万吨原煤。每年7 亿千瓦时的待机能耗，直接造成消费者约3 亿元电费支出的浪费【1】。
另据欧盟委员会统计，2005 年欧盟25 国安装有37 亿件有待机／关机模式的产品， 它们会造成47 万亿瓦时的待机／关机耗电量， 这相当于64 亿欧元的电费。预计到20 1 0 年， 在欧盟范围内电子电器产品每年的待机／关机耗电量将升至62 万亿瓦时。如果欧盟成员国采取适当的措施降低待机能耗，l999 年到2010 年之间将节电39 万亿瓦时。
3．国内外待机能耗标准
自2000 年国际能源署提出电子电器待机能耗"1 瓦计划" 以来， 电子电器待机能耗日益得到重视。待机能耗企业自愿协议、美国"能源之星" 认证、政府强制法规相继出台。我国作为电子电器产品出口大国， 必须熟悉和了解这些协议和法规，降低产品待机能耗， 跨越待机能耗的技术壁垒。
1992 年，美国环保署(EPA)和能源部发起了"能源之星" 工程，此计划不具强制性。自发配合此计划的厂商，一旦其产品满足"能源之星"能效要求，就可以在其合格产品上贴上"能源之星"的标识。最早配合此计划的产品主要是电脑等电器，之后逐渐延伸到电机、办公室设备、照明、家电等。"能源之星"计划已成为国际标准之一。现在，全球有2 8 0 0 0 种不同型号的终端耗能产品获得了能源之星节能认证， 每年销售能源之星产品超过10 亿件。从2008 年11 月起，"能源之星"第二版开始执行，规定电源适配器的待机能耗必须小于0.3W 或0.5W，依适配器的输出功率而定。
2007 年1 2 月美国颁布了《2007 美国能源独立与安全法案》，为电器及照明产品制定了第一个强制性的联邦能效标准。其内容与加州能源委员会(CEC)颁布的《2007 年加州能源委员会电器效率法规》要求基本相同。韩国宣布于2 0 1 0年实施产品待机能耗小于l W 强制措施， 是目前最早要实施强制措施的国家。澳大利亚宣布到20 l 2 年前， 其全部电子电器产品待机能耗在l W 以下。2008年7 月8 日， 欧盟委员会公布第2005／32／EC 号环保设计指令的实施法规议案， 旨在降低所有家庭及办公室电气和电子设备在关机和待机状态下的能耗【2】。
2008 年11 月，世界主要手机供应商，诺基亚、三星、LG、摩托罗拉以及索尼爱立信，共同宣布推出了一项新的更为严格的手机充电器待机分级制度，超越了当今世界任何机构现行或提议中的待机功耗规范。根据诺基亚的数据，手机在待机模式下所消耗的电能占到其电能使用总量的60%以上。新的分级制度将以零到五颗星的标志图案来区分待机能耗。例如，待机功耗小于或等于30mW 的手机充电器属于最高星级，在其标签上印有五颗星。相反，如果待机功耗≤500mW，则充电器标签上将无任何星级标记。我们可以做下比较：对于输出功率相同的充电器，新版"能源之星"EPS2.0 规范所规定的最为严格的最大空载功耗为300 mW，若用新的星级标准进行评级的话，则只能评定为二星级。
4．开关电源待机功耗机理分析
目前，大多数100W 以下的电子设备，如电源适配器、充电器、无绳电话、ADSL 路由器、LCD 显示器和DVD 等等，都是采用离线反激式开关电路，将电网提供的85V～275V 交流电转换为电子设备所需要的直流电压。正常工作状态下，反激式开关电源的损耗主要包括导通损耗和开关损耗，以及控制电路的损耗。待机状态下，因为系统的输出电流接近于零，导通损耗可以忽略，开关损耗和控制电路的损耗成为主要的系统待机功耗。降低待机功耗，应着眼于开关损耗和控制电路的损耗的降低。
图1 给出反激式开关电源在待机状态下的主要损耗类型，其中功率管开关损耗、驱动损耗、变压器磁芯损耗、输出整流管反向恢复损耗以及缓冲器损耗都属于开关损耗。各种类型的开关损耗都与开关频率有关，降低开关频率可以减少开关损耗。控制电路的损耗主要表现为启动电阻上的损耗，而启动电阻的损耗直接与整流后的直流母线电压和启动电阻值。在保证宽电压输入的工作条件下可以通过降低启动电流的方法来降低启动电阻损耗。
随着家用电器、视听产品的普及，办公自动化的广泛应用和网络化的不断发展，越来越多的产品具有了待机功能，例如电池充电、遥控、数字显示、定时、触控与保温功能等等， 以随时满足使用者的要求。这些新产品、新技术在极大地方便我们生活的同时，也造成了大量的能源浪费。举例而言， 数字电视的待机能耗在l～5 W 左右，机顶盒待机能耗20～40 W 左右， 个人计算机和显示器待机能耗5～1 0 W 左右，手机充电器待机能耗0.5～1 W 左右。根据国际经济合作组织的一项调查称，各国因待机而消耗的能量约占能耗总数的3％～13％。统计数据为：澳大利l 2％ 左右， 韩国1l％ 左右， 德国10％ 左右， 英国8％ 左右， 日本7％ 左右， 美国5％ 左右， 芬兰5％左右。目前我国城市家庭的平均待机能耗已经占到了家庭总能耗的10%左右，相当于每个家庭使用着一盏15~30W 的"长明灯"。 待机能耗像一只隐形的吸血虫，在浪费能源的同时形成了巨大的环保压力。
国际能源署(IEA)于2000 年向全球电器产品生产销售厂商发起节能倡议"1瓦计划"，现已经得到欧盟、美国的积极响应，到2010 年所有出口到这些地区的电器产品其待机功耗必须降低到1 瓦，这将成为所有已经进入和试图进入欧美市场的电子产品厂商们新的非关税壁垒。
2．电子电器待机能耗现状调查
"待机能耗"是指具有待机功能的电器设备在不使用的时候，没有断开电源所发生的电能消耗。具有待机能耗的电器设备主要有空调、电脑与通讯系统（包括电脑主机、显示屏、电脑音响、打印机、扫描仪、充电器、路由器等）、家庭视频与音频系统（包括电视机、DVD、VCD、音响、功放、机顶盒、卫星接收器等）。为了避免频繁插拔电器插头的麻烦，或是为了保存对电器使用状态的设置，许多用户很习惯地采用不断开电源而仅用遥控器方便的闭合电器，使电器长期处于待机状态。待机功能在为居民用户提供便利的同时，也造成了大量的能源浪费。
据上海电力公司近期组织的一项调查显示，该市空调、家庭视频与音频系统、电脑与通讯系统这三类主要家用电器的待机能耗总量约为7 亿千瓦时，如果平均每发电1 千瓦时，需要消耗468 克原煤，那么将白白浪费30 多万吨原煤。每年7 亿千瓦时的待机能耗，直接造成消费者约3 亿元电费支出的浪费【1】。
另据欧盟委员会统计，2005 年欧盟25 国安装有37 亿件有待机／关机模式的产品， 它们会造成47 万亿瓦时的待机／关机耗电量， 这相当于64 亿欧元的电费。预计到20 1 0 年， 在欧盟范围内电子电器产品每年的待机／关机耗电量将升至62 万亿瓦时。如果欧盟成员国采取适当的措施降低待机能耗，l999 年到2010 年之间将节电39 万亿瓦时。
3．国内外待机能耗标准
自2000 年国际能源署提出电子电器待机能耗"1 瓦计划" 以来， 电子电器待机能耗日益得到重视。待机能耗企业自愿协议、美国"能源之星" 认证、政府强制法规相继出台。我国作为电子电器产品出口大国， 必须熟悉和了解这些协议和法规，降低产品待机能耗， 跨越待机能耗的技术壁垒。
1992 年，美国环保署(EPA)和能源部发起了"能源之星" 工程，此计划不具强制性。自发配合此计划的厂商，一旦其产品满足"能源之星"能效要求，就可以在其合格产品上贴上"能源之星"的标识。最早配合此计划的产品主要是电脑等电器，之后逐渐延伸到电机、办公室设备、照明、家电等。"能源之星"计划已成为国际标准之一。现在，全球有2 8 0 0 0 种不同型号的终端耗能产品获得了能源之星节能认证， 每年销售能源之星产品超过10 亿件。从2008 年11 月起，"能源之星"第二版开始执行，规定电源适配器的待机能耗必须小于0.3W 或0.5W，依适配器的输出功率而定。
2007 年1 2 月美国颁布了《2007 美国能源独立与安全法案》，为电器及照明产品制定了第一个强制性的联邦能效标准。其内容与加州能源委员会(CEC)颁布的《2007 年加州能源委员会电器效率法规》要求基本相同。韩国宣布于2 0 1 0年实施产品待机能耗小于l W 强制措施， 是目前最早要实施强制措施的国家。澳大利亚宣布到20 l 2 年前， 其全部电子电器产品待机能耗在l W 以下。2008年7 月8 日， 欧盟委员会公布第2005／32／EC 号环保设计指令的实施法规议案， 旨在降低所有家庭及办公室电气和电子设备在关机和待机状态下的能耗【2】。
2008 年11 月，世界主要手机供应商，诺基亚、三星、LG、摩托罗拉以及索尼爱立信，共同宣布推出了一项新的更为严格的手机充电器待机分级制度，超越了当今世界任何机构现行或提议中的待机功耗规范。根据诺基亚的数据，手机在待机模式下所消耗的电能占到其电能使用总量的60%以上。新的分级制度将以零到五颗星的标志图案来区分待机能耗。例如，待机功耗小于或等于30mW 的手机充电器属于最高星级，在其标签上印有五颗星。相反，如果待机功耗≤500mW，则充电器标签上将无任何星级标记。我们可以做下比较：对于输出功率相同的充电器，新版"能源之星"EPS2.0 规范所规定的最为严格的最大空载功耗为300 mW，若用新的星级标准进行评级的话，则只能评定为二星级。
4．开关电源待机功耗机理分析
目前，大多数100W 以下的电子设备，如电源适配器、充电器、无绳电话、ADSL 路由器、LCD 显示器和DVD 等等，都是采用离线反激式开关电路，将电网提供的85V～275V 交流电转换为电子设备所需要的直流电压。正常工作状态下，反激式开关电源的损耗主要包括导通损耗和开关损耗，以及控制电路的损耗。待机状态下，因为系统的输出电流接近于零，导通损耗可以忽略，开关损耗和控制电路的损耗成为主要的系统待机功耗。降低待机功耗，应着眼于开关损耗和控制电路的损耗的降低。
图1 给出反激式开关电源在待机状态下的主要损耗类型，其中功率管开关损耗、驱动损耗、变压器磁芯损耗、输出整流管反向恢复损耗以及缓冲器损耗都属于开关损耗。各种类型的开关损耗都与开关频率有关，降低开关频率可以减少开关损耗。控制电路的损耗主要表现为启动电阻上的损耗，而启动电阻的损耗直接与整流后的直流母线电压和启动电阻值。在保证宽电压输入的工作条件下可以通过降低启动电流的方法来降低启动电阻损耗。
 图1 反激式开关电源在待机状态下的主要损耗类型 [p] 5．低功耗待机电源解决方案作为一家领先的电源管理集成电路制造商，BCD 半导体制造有限公司(简称BCD Semi)长期致力于高效、低待机功耗绿色电源解决方案的开发、研究。 早在2004 年BCD Semi 公司就率先推出了一颗与工业标准PWM 控制器384x 完全兼容并具有间歇式低待机功能的"绿色电源"控制器，AP384xG。AP384xG 与标准PWM 控制器384x 相比最明显的差别在于其内部增加了一个可控电流源，通过电流源充电提高Pin CS 的比较电平来实现轻载情况下的间歇式工作模式以降低待机功耗。同时，AP384xG 还特别设计了低启动电流电路，使启动电流从典型的200uA 降低至40uA，大大的降低了启动电阻上的损耗。 由于设计上的特别考量，AP384xG 具备了与标准PWM 控制器384x 完全兼容的特性，提供所谓"Plug-and-Play"的"绿色电源"解决方案。使用者在不需要修改其原有设计的情况下，用AP384xG 去替换384x 同时调整极少数的电阻、电容参数，就可以大幅度地提高电源转换效率(55%~65%)并减低待机功耗（3.25W~0.5W），顺利通过"能源之星"的节能认证【3】。由于其显著的节能效果和兼容性，AP384xG 在DVD 电源、CRT/LCD 显示器电源、电动自行车充电电源等等领域已经得到了广泛的应用，迄今已销售超过5 千万片，已为社会累计节约电能近1.3 亿千瓦时。 作为全球领先的手机充电器方案提供商，BCD Semi 公司于2009 年6 月推出了可以满足最严格五星级标准的超低待机功耗充电器方案，AP376x 系列，其30mW 以下的空载功耗可以使制造商轻松满足包括能源之星EPS v2.0 在内的全球所有的充电器/适配器能效及空载规范。 AP3768 是BCD Semi 公司生产的第二代原边控制器代表产品，其设计上除了延续第一代产品的成功架构，省去昂贵但可靠性低的外围元件，实现高精度的输出电压 / 电流控制，保证系统量产条件下±5％的输出电压 / 电流容差范围。AP3768 集成了更为精确的可调电缆补偿功能，允许客户通过一颗外接电阻值的调整实现任意电压值的补偿，以满足不同线径、长度输出电缆的应用。其专利的"Sub-μA Startup"技术和低工作电流是实现30mW 超低待机功耗的技术保证。 图2 给出了AP3768 的典型应用线路和主要特性曲线。
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