隨著家用電器、視聽(tīng)產(chǎn)品的普及,辦公自動(dòng)化的廣泛應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)化的不斷發(fā)展,越來(lái)越多的產(chǎn)品具有了待機(jī)功能,例如電池充電、遙控、數(shù)字顯示、定時(shí)、觸控與保溫功能等等, 以隨時(shí)滿足使用者的要求。這些新產(chǎn)品、新技術(shù)在極大地方便我們生活的同時(shí),也造成了大量的能源浪費(fèi)。舉例而言, 數(shù)字電視的待機(jī)能耗" title="待機(jī)能耗">待機(jī)能耗在l~5W左右,機(jī)頂盒待機(jī)能耗20~40W左右,個(gè)人計(jì)算機(jī)和顯示器待機(jī)能耗5~10W左右,手機(jī)充電器待機(jī)能耗0.5~1W左右。根據(jù)國(guó)際經(jīng)濟(jì)合作組織的一項(xiàng)調(diào)查稱,各國(guó)因待機(jī)而消耗的能量約占能耗總數(shù)的3%~13%。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為:澳大利12%左右,韓國(guó)11%左右,德國(guó)10%左右,英國(guó)8%左右,日本7%左右,美國(guó)5%左右,芬蘭5%左右。目前我國(guó)城市家庭的平均待機(jī)能耗已經(jīng)占到了家庭總能耗的10%左右,相當(dāng)于每個(gè)家庭使用著一盞15~30W的“長(zhǎng)明燈”。待機(jī)能耗像一只隱形的吸血蟲,在浪費(fèi)能源的同時(shí)形成了巨大的環(huán)保壓力。
國(guó)際能源署(IEA)于2000年向全球電器產(chǎn)品生產(chǎn)銷售廠商發(fā)起節(jié)能倡議“1瓦計(jì)劃”,現(xiàn)已經(jīng)得到歐盟、美國(guó)的積極響應(yīng),到2010年所有出口到這些地區(qū)的電器產(chǎn)品其待機(jī)功耗必須降低到1瓦,這將成為所有已經(jīng)進(jìn)入和試圖進(jìn)入歐美市場(chǎng)的電子產(chǎn)品廠商們新的非關(guān)稅壁壘。
電子電器待機(jī)能耗現(xiàn)狀調(diào)查
“待機(jī)能耗”是指具有待機(jī)功能的電器設(shè)備在不使用的時(shí)候,沒(méi)有斷開(kāi)電源所發(fā)生的電能消耗。具有待機(jī)能耗的電器設(shè)備主要有空調(diào)、電腦與通訊系統(tǒng)(包括電腦主機(jī)、顯示屏、電腦音響、打印機(jī)、掃描儀、充電器、路由器等)、家庭視頻與音頻系統(tǒng)(包括電視機(jī)、DVD、VCD、音響、功放、機(jī)頂盒、衛(wèi)星接收器等)。為了避免頻繁插拔電器插頭的麻煩,或是為了保存對(duì)電器使用狀態(tài)的設(shè)置,許多用戶很習(xí)慣地采用不斷開(kāi)電源而僅用遙控器方便的閉合電器,使電器長(zhǎng)期處于待機(jī)狀態(tài)。待機(jī)功能在為居民用戶提供便利的同時(shí),也造成了大量的能源浪費(fèi)。
據(jù)上海電力公司近期組織的一項(xiàng)調(diào)查顯示,該市空調(diào)、家庭視頻與音頻系統(tǒng)、電腦與通訊系統(tǒng)這三類主要家用電器的待機(jī)能耗總量約為7億千瓦時(shí),如果平均每發(fā)電1千瓦時(shí),需要消耗468克原煤,那么將白白浪費(fèi)30多萬(wàn)噸原煤。每年7億千瓦時(shí)的待機(jī)能耗,直接造成消費(fèi)者約3億元電費(fèi)支出的浪費(fèi)。
另?yè)?jù)歐盟委員會(huì)統(tǒng)計(jì),2005年歐盟25國(guó)安裝有37億件有待機(jī)/關(guān)機(jī)模式的產(chǎn)品,它們會(huì)造成47萬(wàn)億瓦時(shí)的待機(jī)/關(guān)機(jī)耗電量,這相當(dāng)于64億歐元的電費(fèi)。預(yù)計(jì)到2010年,在歐盟范圍內(nèi)電子電器產(chǎn)品每年的待機(jī)/關(guān)機(jī)耗電量將升至62萬(wàn)億瓦時(shí)。如果歐盟成員國(guó)采取適當(dāng)?shù)拇胧┙档痛龣C(jī)能耗,l999年到2010年之間將節(jié)電39萬(wàn)億瓦時(shí)。
國(guó)內(nèi)外待機(jī)能耗標(biāo)準(zhǔn)
自2000年國(guó)際能源署提出電子電器待機(jī)能耗“1瓦計(jì)劃”以來(lái),電子電器待機(jī)能耗日益得到重視。待機(jī)能耗企業(yè)自愿協(xié)議、美國(guó)“能源之星" title="能源之星">能源之星”認(rèn)證、政府強(qiáng)制法規(guī)相繼出臺(tái)。我國(guó)作為電子電器產(chǎn)品出口大國(guó),必須熟悉和了解這些協(xié)議和法規(guī),降低產(chǎn)品待機(jī)能耗,跨越待機(jī)能耗的技術(shù)壁壘。
1992年,美國(guó)環(huán)保署(EPA)和能源部發(fā)起了“能源之星”工程,此計(jì)劃不具強(qiáng)制性。自發(fā)配合此計(jì)劃的廠商,一旦其產(chǎn)品滿足“能源之星”能效要求,就可以在其合格產(chǎn)品上貼上“能源之星”的標(biāo)識(shí)。最早配合此計(jì)劃的產(chǎn)品主要是電腦等電器,之后逐漸延伸到電機(jī)、辦公室設(shè)備、照明、家電等。“能源之星”計(jì)劃已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一?,F(xiàn)在,全球有28000種不同型號(hào)的終端耗能產(chǎn)品獲得了能源之星節(jié)能認(rèn)證, 每年銷售能源之星產(chǎn)品超過(guò)10億件。從2008 年11月起,“能源之星”第二版開(kāi)始執(zhí)行,規(guī)定電源適配器的待機(jī)能耗必須小于0.3W或0.5W,依適配器的輸出功率而定。
2007年12月美國(guó)頒布了《2007美國(guó)能源獨(dú)立與安全法案》,為電器及照明產(chǎn)品制定了第一個(gè)強(qiáng)制性的聯(lián)邦能效標(biāo)準(zhǔn)。其內(nèi)容與加州能源委員會(huì)(CEC)頒布的《2007年加州能源委員會(huì)電器效率法規(guī)》要求基本相同。韓國(guó)宣布于2010年實(shí)施產(chǎn)品待機(jī)能耗小于1W強(qiáng)制措施,是目前最早要實(shí)施強(qiáng)制措施的國(guó)家。澳大利亞宣布到2012年前,其全部電子電器產(chǎn)品待機(jī)能耗在1W以下。2008年7月8日,歐盟委員會(huì)公布第2005/32/EC號(hào)環(huán)保設(shè)計(jì)指令的實(shí)施法規(guī)議案,旨在降低所有家庭及辦公室電氣和電子設(shè)備在關(guān)機(jī)和待機(jī)狀態(tài)下的能耗。
2008年11月,世界主要手機(jī)供應(yīng)商,諾基亞、三星、LG、摩托羅拉以及索尼愛(ài)立信,共同宣布推出了一項(xiàng)新的更為嚴(yán)格的手機(jī)充電器待機(jī)分級(jí)制度,超越了當(dāng)今世界任何機(jī)構(gòu)現(xiàn)行或提議中的待機(jī)功耗規(guī)范。根據(jù)諾基亞的數(shù)據(jù),手機(jī)在待機(jī)模式下所消耗的電能占到其電能使用總量的60%以上。新的分級(jí)制度將以零到五顆星的標(biāo)志圖案來(lái)區(qū)分待機(jī)能耗。例如,待機(jī)功耗小于或等于30mW的手機(jī)充電器屬于最高星級(jí),在其標(biāo)簽上印有五顆星。相反,如果待機(jī)功耗≤500mW,則充電器標(biāo)簽上將無(wú)任何星級(jí)標(biāo)記。我們可以做下比較:對(duì)于輸出功率相同的充電器,新版”能源之星”EPS2.0規(guī)范所規(guī)定的最為嚴(yán)格的最大空載功耗為300mW,若用新的星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)級(jí)的話,則只能評(píng)定為二星級(jí)。
開(kāi)關(guān)電源待機(jī)功耗機(jī)理分析
目前,大多數(shù)100W以下的電子設(shè)備,如電源適配器、充電器、無(wú)繩電話、ADSL路由器、LCD顯示器和DVD等等,都是采用離線反激式開(kāi)關(guān)電路,將電網(wǎng)提供的85V~275V交流電轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備所需要的直流電壓。正常工作狀態(tài)下,反激式開(kāi)關(guān)電源的損耗主要包括導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗" title="開(kāi)關(guān)損耗">開(kāi)關(guān)損耗,以及控制電路的損耗。待機(jī)狀態(tài)下,因?yàn)橄到y(tǒng)的輸出電流接近于零,導(dǎo)通損耗可以忽略,開(kāi)關(guān)損耗和控制電路的損耗成為主要的系統(tǒng)待機(jī)功耗。降低待機(jī)功耗,應(yīng)著眼于開(kāi)關(guān)損耗和控制電路的損耗的降低。
圖1給出反激式開(kāi)關(guān)電源在待機(jī)狀態(tài)下的主要損耗類型,其中功率管開(kāi)關(guān)損耗、驅(qū)動(dòng)損耗、變壓器磁芯損耗、輸出整流管反向恢復(fù)損耗以及緩沖器損耗都屬于開(kāi)關(guān)損耗。各種類型的開(kāi)關(guān)損耗都與開(kāi)關(guān)頻率有關(guān),降低開(kāi)關(guān)頻率可以減少開(kāi)關(guān)損耗??刂齐娐返膿p耗主要表現(xiàn)為啟動(dòng)電阻上的損耗,而啟動(dòng)電阻的損耗直接與整流后的直流母線電壓和啟動(dòng)電阻值。在保證寬電壓輸入的工作條件下可以通過(guò)降低啟動(dòng)電流的方法來(lái)降低啟動(dòng)電阻損耗。
低功耗待機(jī)電源解決方案
作為一家領(lǐng)先的電源管理集成電路制造商,BCD半導(dǎo)體制造有限公司(簡(jiǎn)稱BCD Semi)長(zhǎng)期致力于高效、低待機(jī)功耗綠色電源" title="綠色電源">綠色電源解決方案的開(kāi)發(fā)、研究。
早在2004年BCD Semi公司就率先推出了一顆與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PWM控制器384x完全兼容并具有間歇式低待機(jī)功能的“綠色電源”控制器AP384xG。AP384xG與標(biāo)準(zhǔn)PWM控制器384x相比最明顯的差別在于其內(nèi)部增加了一個(gè)可控電流源,通過(guò)電流源充電提高Pin CS的比較電平來(lái)實(shí)現(xiàn)輕載情況下的間歇式工作模式以降低待機(jī)功耗。同時(shí),AP384xG還特別設(shè)計(jì)了低啟動(dòng)電流電路,使啟動(dòng)電流從典型的200uA降低至40uA,大大的降低了啟動(dòng)電阻上的損耗。
由于設(shè)計(jì)上的特別考量,AP384xG具備了與標(biāo)準(zhǔn)PWM控制器384x完全兼容的特性,提供所謂“Plug-and-Play”的“綠色電源”解決方案。使用者在不需要修改其原有設(shè)計(jì)的情況下,用AP384xG去替換384x同時(shí)調(diào)整極少數(shù)的電阻、電容參數(shù),就可以大幅度地提高電源轉(zhuǎn)換效率(55% 65%)并減低待機(jī)功耗(3.25W 0.5W),順利通過(guò)“能源之星”的節(jié)能認(rèn)證。由于其顯著的節(jié)能效果和兼容性,AP384xG在DVD電源、CRT/LCD顯示器電源、電動(dòng)自行車充電電源等等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,迄今已銷售超過(guò)5千萬(wàn)片,已為社會(huì)累計(jì)節(jié)約電能近1.3億千瓦時(shí)。
作為全球領(lǐng)先的手機(jī)充電器方案提供商,BCD Semi公司于2009年6月推出了可以滿足最嚴(yán)格五星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的超低待機(jī)功耗充電器方案,AP376x系列,其30mW以下的空載功耗可以使制造商輕松滿足包括能源之星EPS v2.0在內(nèi)的全球所有的充電器/適配器能效及空載規(guī)范。
AP3768是BCD Semi公司生產(chǎn)的第二代原邊控制器代表產(chǎn)品,其設(shè)計(jì)上除了延續(xù)第一代產(chǎn)品的成功架構(gòu),省去昂貴但可靠性低的外圍元件,實(shí)現(xiàn)高精度的輸出電壓/電流控制,保證系統(tǒng)量產(chǎn)條件下±5%的輸出電壓/電流容差范圍。AP3768集成了更為精確的可調(diào)電纜補(bǔ)償功能,允許客戶通過(guò)一顆外接電阻值的調(diào)整實(shí)現(xiàn)任意電壓值的補(bǔ)償,以滿足不同線徑、長(zhǎng)度輸出電纜的應(yīng)用。其專利的“Sub-μA Startup”技術(shù)和低工作電流是實(shí)現(xiàn)30mW超低待機(jī)功耗的技術(shù)保證。圖2給出了AP3768的典型應(yīng)用線路和主
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根據(jù)NOKIA公司的估計(jì),如果全球30億只的手機(jī)充電器都能采用上述滿足五星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù),實(shí)現(xiàn)30mW以下的待機(jī)功耗,每年可為社會(huì)節(jié)約電能近1.2萬(wàn)億瓦時(shí)。