三大节能需求颠覆传统电源设计理念

作者：中科院电工研究所 唐晓泉

欢迎访问e展厅 展厅 9 电池/开关电源展厅 电池, 碱性电池, 锂离子电池, 纽扣电池, 太阳能电池, ... 以串联稳压电路为代表的线性电源技术在不同的电子时代其具体实现方式由电子管、晶体管过渡到了集成电路，但其基本电路原理却没有本质性的变化，以“通电即开、恒定电压供给”为默认属性来定义电子产品中各个部分的电源供给，已成为传统电子产品设计的潜在规则。随着电子技术、信息技术在人们生活中的不断渗透，为人类服务的电子产品在数量上不断增加，其能量消耗已大大超过了人们生活中照明所用的能源，严峻的能源危机迫使电源技术从电子产品的后台走向前台。颠覆传统的电源设计理念，不断地在电源技术领域创新，是实现绿色电子产品的重要措施。 家用电器：开关电源日渐普及 除了电视机外，历史上以照明、电冰箱、空调为代表的传统家用电器曾经经历了不含任何电子单元的纯电器时代。那个时代的家用电器由于不需要电源单元，或者对电源单元需求十分简单，电源技术的发展几乎与家用电器没有任何关系。 随着电子技术和信息技术的高速发展，特别是数字化浪潮的推动，在新的数字化家用电器不断产生的同时，电子技术和信息技术已开始浸入到传统的家用电器之中。由电子技术和信息技术装备起来的新一代家用电器的供电模式、能源消耗也发生了重大的变化，家用电器功能的增加往往以牺牲能源使用效率为代价：电视机屏幕尺寸的增加，意味着功耗的增加；传统的家用电器只要断开机械电源开关就不消耗能源，而装备了手感良好的轻触式控制开关和具互联网接入功能的家用电器只要一插上电源插头，不管它工作与否都要消耗能源。以不牺牲家用电器的其他功能条件，不断地在家用电器的电源单元上创新，已成为提高家用电器能源使用效率的重要措施之一。 目前开关电源取代线性电源或直接介入家用电器。由变压器和串联稳压电路构成的电视机电源单元曾是黑白电视机中的标准电源单元。但随着彩色电视机的出现，由于彩色电视机消耗的功率较大，提高彩色电视机电源单元的转换效率成为降低整机功耗的重要措施之一。同时电子器件的发展使开关电源在价格上能被彩色电视机所接受，因此当电视机由黑白过渡到彩色的过程中，其电视机的电源单元也由线性电源过渡到了开关电源。 开关电源在成功地进入电视机领域之后，借助它在转换效率、体积和重量上优势，很快取代其他家用电器中线性电源，进入到VCD、DVD、音响、充电器等领域。当电子技术进入到照明、空调、电冰箱等纯电器构成的家用电器领域时，改变了这些家用电器的工作方式，线性电源不能满足它们的要求，开关电源直接介入过去由纯电器构成家用电器的领域。 提高家用电器的功率因数已成为现阶段电源技术创新的重要内容。 目前采用开关电源的家用电器的功率因数低，其能源的利用率也低。 由于开关电源在家用电器中的大量使用，而且家用电器拥有量巨大，为了提高能源的利用率，目前世界各国纷纷利用法律和标准的形式规范家用电器的功率因数，我国的3C规范中明确指出功率大于75W的电器都要加装功率因数校正电路(PFC)。目前采用电子电路实施的主动功率因数校正是目前电源技术的主要发展方向之一。 提高家用电器的功率因数已成为现阶段电源技术创新的重要内容，研发高性价比的功率因数校正解决方案已成为全球半导体供应商共同关注的课题。 便携产品：动态供电成发展方向 层出不穷的新特奇功能不断出现在便携式电子产品之中。我们在享受便携电子产品中这些新特奇功能时，也将付出能量消耗增大的代价。在短期内我们不能指望电池技术取得多大突破，但人们又经受不住便携式电子产品中各种新特异功能的诱惑，使便携电子产品设计者继续在“效率”上花功夫。 为了使便携式电子产品的功耗降到最低，在便携式电子产品设计中，以降低功率消耗为最优目标，根据便携式电子产品中各单元的具体特性分别提供优化后的电源，已成为目前便携式电子产品设计的标准模式。在该模式下，电源技术由单纯的提供恒定的电压的静态供电模式，逐渐转向管理负载用电的动态供电模式。在静态供电模式下，根据能源消耗最低原则，在便携式电子产品内部根据不同功能单元的特性提供不同电压等级的恒定电压。最简单的动态供电模式是便携式电子产品的电源单元不仅要提供多个不同电压等级的电压，而且还要根据其负载的特性随时开启、关闭相应的供电回路。 为了进一步地降低便携式电子产品的功耗，一种根据集成电路的工作状态分别要求不同工作电压等级节能降耗技术已进入实用阶段。 美国国家半导体公司宣布推出一款采用数字技术控制的PowerWise能源管理单元(EMU)LP5550,它可与本公司的功率控制器及ARM公司的智能能源管理(IEM)技术搭配一起使用，可将数字处理器核心的功耗减少达70%。 汽车电子：规范第二类电器功耗 根据供电方式不同，在汽车中的电器单元可分为两类：第一类是发动机工作后才供电的电器；第二类是由汽车上电瓶永久供电的电器。 第一类电器在电子与电器融合的汽车电子时代，汽车电源技术成为汽车电子中的一个重要组成部分。如何提高低电压大电流状态下电源的转换效率已成为汽车电源技术的特殊要求，寻求更低内阻的半导体功率器件是提高汽车电源的转换效率的重要措施之一。 第二类电器在不含电子的纯电器时代也不存在电源方面的问题。但在汽车电子时代，电源也成为这类电器的一个重要组成部分。由于这类电器由汽车上的电瓶永久供电，它们消耗的电能也是持续的。和采用220V交流电供电的家用电器和采用电池供电的便携式电子产品相比，汽车电器的供电方式十分特殊。汽车电瓶中的电能是由发动机上发电机提供的，而发动机是由贮存在电瓶中的电能来启动的，也就是说如果汽车电瓶中没有电，就不能启动发动机，发动机不工作，电瓶就不能从发动机上获取电能，必须由车外为汽车中的电瓶充电后才能启动发动机工作。因此为了保证汽车在有效的停驶时间内，电瓶中贮存的电能不因第二类电器的消耗而影响汽车发动机的启动，这就强制要求将整车第二类电器能源消耗限制在规定的范围内。 随着电子信息技术在汽车中的不断渗透，汽车上的电子装置越来越多，它们所消耗的电能也越来越多，电池的容量限制制约了整车第二类电器的总能源消耗，而人们不可能因为电池容量的原因而放弃享受各种汽车电子给人们带来的快乐，这就迫使汽车电子设计者降低单台汽车电子装置的功耗、提高能源的利用率上下功夫。家用电器和便携式电子产品利用电源技术为电子产品的节能研发出了许多切实可行的技术方案与措施，结合汽车电子的特点，通过电源技术领域的创新，为提高汽车电子的能源利用率探索出有效的技术方案和措施，这将是汽车电子业面临的机遇和挑战。 专家观点 降低待机功耗成家用电器追求目标 持续降低家用电器的待机功耗是家用电器电源技术不断追求的目标。家用电器在装备了手感良好的轻触式控制开关、各种摇控开关和具互联网接入功能后，这些家用电器只要一插上电源插头，即使它们不工作，也会消耗能量。现代家用电器这种插上电源插头而不工作的状态，就是所谓的待机状态，家用电器在待机状态消耗的能量称为待机功耗。 和工作状态相比，家用电器的待机功耗虽然相对较小，但待机状态是持续的，日积月累，其数量是不可忽视的。据飞兆半导体统计，一台普通电视机每年的待机功耗为32.94kW，以2004年全球销售的电视机统计，如果2004年全球销售的每台电视机都能节省25.64kW，那么每年大约可节省4.28TW，足以满足数百万个家庭的电能需求。 为了节约能源，世界各国制定了约束电器待机功耗的法规，全球范围内倡议待机功耗低于1W；欧盟提议充电器的待机功耗低于0.1W，现遵从IEA0.3W建议；中国3C规范针对谐波(Harmonic)和EMC彩电绿色电源规定低于3W。 由于开关电源并不是在全功率范围内都能保持一个相当高的转换效率，在设计开关电源时保证了家用电器正常时的转换效率，就不能保证它在待机状态下的转换效率。家用电器在引入了开关电源技术、功率因数校正技术之后，过去便携式电子产品中特有的电源管理技术又开始在家用电器中展现身手。根据家用电器的特点，探索降低家用电器待机功耗的电源管理技术，提供切实可行的解决方案，将是全球相关行业面临的机遇和挑战。(end)

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