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高效能电源设计方案

2010-10-09 11:21
华静一
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  面对全球性的环保热潮,人们关心的「节能」不再只是个热门口号,而是透过什么样的手段,才能在现实生活应用中得到真正的节约能源的效益,同时又能达到环保的目的…

  在环保的观念持续强化下,现代人对于日常节约能源的观念越来越健全,但节约能源除了把不用的电器关闭或是采取定时开关方式节约能源外,其实,计算机、灯具、屏幕、电视、网络设备…这些电子装置本身因电源电路设计的限制,平日开启运作的电源消耗即默默的耗损中,能源的应用效率低下,只有针对这类需长时开启的设备、装置强化节能设计,才能让「节能」的效益更加立竿见影。

  

  美国能源之星80PLUS要求电源供应器必须在低、中、全载状态下都必须达到高能源转换效率。

  

  笔记型计算机的变压器也是能源规范重点。

  日常应用电器中,以计算机、电视、网络设备、LED灯具的耗能最为常见,而这类产品多半需要透过AC/DC转换或是DC/DC转换,以达到驱动装置运作的目的,但能源转换过程造成的损耗,除了产生热能造成室内空调系统的负担外,浪费的能源已经对环境造成伤害。

  

  美、欧、日能源规范要求繁复

  针对此,国际规范单位或机构,已有多种能源装置的规范释出,例如,美国80PLUS规范、美国能源之星、日本Top Runner或是欧盟的EuP/能效行为准则(COC),都有针对能源效率进行相关规范,限制产品设计或生产业者,必须开发能使用更少电能(更高效率)的电器设备,减少相关浪费情形。

  以目前热门的平面电视(LCD TV、PDP TV)为例,随著显示画面持续加大,即便能源消耗已较CRT映像管型电视节省,但是大尺寸的机型功耗却持续上扬,已经成为业界的改善重点。针对能源之星对于平面电视的规范,要求屏幕对角尺寸为32、42、60寸的平面电视设备,在工作模式下的使用功耗必须低于78、115、210W,而预计在2012年推行的5.0规范中,进一步将功耗再压低至55、81、108W。

  

  计算机设备的能源规范日趋严苛

  而在桌上型计算机方面,以针对电源供应器推行的80PLUS银等级规范,目前即要求ATX电源在额定输出功率20、50、100%条件下,电源转换效率分别要求达到85、88、85%,至于2010预计7月生效的新目标,则进一步要求将能源转换效率提升至87、90、87%,对相关业者而言,更要正视电源效率的调校与最佳化设定。

  相对的,欧洲的EuP指令也有相关要求,在EuP规范中,除要求产品的工作耗能必须压低,连同产品的「待机」耗电也必须一并考量!因为以网通设备、计算机设备或电器设备为例,五成以上的能源消耗都来自于未使用的待机状态,而可观的电力消耗就是这样一点一滴流失,在能源之星的规范是要求待机功耗不能超过1W,未来可能进一步提高标准至0.3W。

  

  除了工作状态能耗 待机能耗限制亦为规范重点

  除了桌上型计算机的电源供应器外,笔记型计算机的变压器也是规范重点,能源之星2.0的要求中,只要输出功率大于49W的电源供应器,必须有87%以上的能源转换效率,而变压器本身的待机能源消耗不能超过500mW,PF(功率因数不能低于0.9)。而在欧盟EuP设计指令中,要求是输出功率大于51 W 的外部电源,工作能效不低于87%,空载能耗不超过500 mW。

  因应环保热潮如雨后春笋般推出的LED固态照明装置,因为LED元件本身为DC直流驱动,模块本身必须透过AC/DC转换过程,若为了量产压低成本的线路设计,也很可能限于成本采取低能源效率的电路设计,造成省电的效益有限。在能源之星1.0版关于固态照明的规范明定,已要求off-state的能源消耗必须为0W,功率因数(PF)要求商业应用必须不低于0.9、住宅应用不低于0.7限制。

  

  因应新环保规范的电源设计挑战

  基本上导入节能设计已是新产品开发的必要手段,而相关的环保规范、指令已经提出一个改善门槛,只有超越门槛规定才能取得相关规范认证。象是电源供应器的规划设计与固态照明的电源转换设计,在同时要求总体效能又必须考量功率因数的多重要求下,还必须确认产品的高可靠性,其实已经让电源设计的复杂度较以往更高。

  尤其是部分设备如计算机、笔记型计算机、网通设备,必须考量轻负载、中负载与中负载的能源效率都必须达到一定水平,并搭配功率因数校正(PFC)电路设计,也让电源系统的线路设计益加复杂化。但这些线路设计又必须面临,可用的布线空间、PCB面积有限的问题,尤其是在固态照明中,LED灯泡必须与传统白炽灯外型相仿,而内部又必须整合高效能的电源转换线路,增加整体设计的困难度。

  

  透过关键零件进行能源效率改善

  常见的设计方式,是采用新的电源设计方案,或是采取新的产品设计因应能耗要求。例如,LCD TV为了提升能源使用效率降低运作功耗,可以将必须高压驱动的CCFL冷阴极管背光系统,改换成DC驱动的LED背光,甚至透过采取侧背光的方式减少LED使用数量,进而达到电视薄化、降低能耗与减少机体发热多项优点。

  另外,釜底抽薪的电源设计方案中,产品开发的同时也可试著透过导入能源应用最佳化的AC/DC控制器、PFC控制器或导入高效能的DC/DC转换器,进行电源电路的全面升级,因应更为严苛的环保规范。

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