电源厂家分享电源适配器能效技术进展

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电源厂家分享电源适配器能效技术进展

节能环保是21世纪世界各地必须面对的问题。作为电子设备，尤其是便携式电子设备主要能源配件的电源适配器的生产量却在增加，而电源适配器在将交流电网高电压转换为一个稳定的直流或交流低电压的过程中，就会有能量损失。测试数据表明，一些电源适配器的转换效率只有20％～40％，而高效的电源适配器转换效率可高达90％，据测算，高效电源设计能够节省15％一20％的电能，因此，美国、加拿大和欧盟等国家或地区陆续推出了与能效有关的认证和法规。如美国的能源之星等，这些认证和法规都涉及了电源适配器产品。目前这些认证绝大多数是非强制性的，但在一些具体的活动中，它却作为强制性的指标列入到有关的政府采购或其它的大宗交易合同中。一些地区强制性的法规早就颁布，比如从2006年7月1日起，美国加州能源委员会(CEC)针对AC—DC与AC～AC 电源供应器的能源使用效率实施全新的强制性标准，基本上各种电子设备都受到影响。该标准包含了各种使用电源供应器(如充电器和适配器)的产品，涉及手机、家用无线电话、便携式音乐播放器、掌上游戏机、玩具等，并标准这些产品在待机与使用状态下以更有效率的方式运用能源。欧洲委员会于2004年颁布了修订后的《电源适配器变换器能效管理法规》，并于2005年1月l13起对外部电源适配器变换器、电源适配器、充电器的能效指标按该法规做好强制性管理，标准欧洲各采购商将”符合该法规的能效标准”作为采购标准。
对于电源适配器产品保有量快速增长的中国来讲，提升电源适配器的能效是非常好的减少能源消耗的方法，从而减少对环境的不良影响。现阶段对于电源适配器的能效认证工作正在开展，如中标能效认证及其CQC能效认证．在2007年12月颁布了强制性的电源适配器能效标准。这篇文章详细介绍了国内外对外部电源适配器在能效层面的标准及趋势，及其电源适配器在能效优化层面的技术动态。运用测试设备对不同的电源适配器做好了检验，并对检验结果做好了研究，强调了能效技术的发展对电源适配器提出的新标准。
2 各国对电源适配器能效的需求
现阶段各国对于外部电源的能效需求，常见集中在额定输出功率小于250W的单路输出式交流一直流或交流一交流外部电源。包含的类型常见有：把交流电网电压转换为直流低电压；每次使用时只出示1个固定的直流电压输出；与用电负荷配套；可与用电负荷分离；利用电线、电缆或一些永久性连线与终端产品连接等。这里的外部电源适配器是指封装在一个与被其供电的整机相互独立的机壳中，不包括直流一直流电源变换器，也不包含内装电源单元。两者有共同的优点，一般都不带电源开关，也因为电源转换效率不可以达到100％，所以空载和带负荷工作两种情况下都损耗电功率。现阶段各国标准都要求了无负荷功耗及其最小活动模式效率。所有要求都依据电源的标称输出功率标准制定。务必达到的效率值并不是简单的全负荷效率，而是分别在25％、50％、75％及100％额定输出功率上所测量的平均效率。这代表着符合规定的电源务必在整个活动模式工作范围内高效率地工作。对于在100—240V工作的设备，务必在115VAC及230VAE两种输入上达到该标准。表1和表2列出了一些法规和GB20943--2007中节能评价值的需求对于外部电源的能效要求。

虽然欧盟(Eu)的能源效率目标一般与其它标准相对比较并不严格，但EU标准中的无负荷功耗标准要小于能源之星和CEC的相对需求(对于低功率适配器，分别为300mW和500mW。200"／年1月1日后，这个标准又提升到1个新的水平，即对待机能耗的范嗣将限定在O．150～0．500W之间。这导致选择可达到多项全球标准的电源解决方案更为重要。另一方面，现阶段欧盟、CFC法案和中国常见的认证需求在无负荷功耗标准层面只是达到能源之星2006年7月1El前的标准。CFc在2008年1月1El后对所有输出功率的产品都需求小于0．5w，所以在出口商品层面，无负荷功耗应该是1个需要引起重视的标准。

空载功率消耗要求

3电源适配器能效改善技术发展
外部电源适配器从结构上还可以分成2个大类。一类是传统的由硅钢片、铜线、二极管构成的串联稳压电源或工频线性电源，另一种是由电子部件、功率管、铁氧体磁材等构成的高频电子开关电源。开关电源具备体型小，重量轻，有色金属少的优点，相对而言也具备相对比较高的能效。提升电源适配器的效率还可以表现在元器件的改善和变换器拓扑及控制方式2个层面。
3．1元器件特性的改善在电源适配器能效提升上的应用元器件特性的改善在能效上的体现最主要的因素就取决于降低系统多余的热消耗。对电源适配器而言，下面三类元器件较为重要。
(1)功率半导体器件
电源适配器中的功率半导体器件，主要历经下面方法提升能效：提升导通和关断瞬间的速度，降低导通和关断瞬间的能耗；降低反向泄露电流；降低通态电阻。这就需求器件具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和关断消耗及开通消耗小等特性。

双极晶体管具有开关速度高的特点，但其反向漏电和驱动功率都比较大，而MO$FET与此恰好向反。绝缘栅双极晶体管(IGBT)是结合了MOSFET与cTP的特点于一身的。IGBT的技术进步实际上是通态压降，快速开关和高耐压能力三者的折中。在它刚出现时，电压、电流额定值只有600V／25A。历经长期的探讨研究和改善，如今IGBT的电压、电流额定值已分别超过3300V／l200A和4500WI800A。高压IGBT单片耐压已超过6500v，一般IGBT的工作频率上限为20一40kHz，基于穿通(Pr)型结构应用新技术生产的IGBT，可工作于150kHz(硬开关)和300k}Iz(软开关)。在功率半导体器件所用材料上也获得了非常大的进步，碳化硅SiC是功率半导体器件晶片的理想材料。其特点是：禁带宽、工作温度高(可达600℃)、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN结耐压高等，有助于生产出耐高温的高频大功率半导体器件，将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料。

用待机芯片的工频电源适配器

(2)磁性元件
磁性元件是电源适配器中的重要功能元件。是达到能量储存与转换、滤波和电气隔离的主要元件。伴随着消费者对电源适配器的需求越来越高。除了对磁性材料提出了有高的居里温度．铁损小，磁通密度大等特性外，伴随着开关电源开关频率的提升，开关变换器的体积随之降低，功率密度获得大幅提升，但开关损耗随之增加，并且使用更多的磁性器件，因而占据更多的空间，这种情况下磁性元件内部的耦合及磁电之间的耦合变得越来越突出。因为耦合特性不好，漏磁通增多，漏感增大，这样在开关晶体管导通期间漏感蓄积能量，在开关晶体管截止期间漏感中蓄积的能量释放，进而在绕组间造成很高电压。该电压一方面会对开关管造成损伤，与此同时它加长了开关时间，增加了消耗和噪声。当这种蓄积能量较多时，释放期间可能造成振荡，影响电源适配器正常的开关工作。所以研发人员对变换器中的磁件做了大量的研究工作，其中磁集成技术在电源适配器中的运用越来越被人重视。如将铁氧体或其它薄膜材料高密度集成在硅片上，或硅材料集成在铁氧体上的磁电混合集成技术。磁电混合集成还包括利用电感箔式绕组层问分布电容实现磁元件与电容混合集成等。磁性元件集成技术应用的一个主要难点在于常规的磁性元件设计方法早已极其繁琐且必须从不同的方面来思考，如磁芯的尺寸选用，材料与绕组的判定，及铁损和铜损的评定等。
此外，磁集成技术还必须思考磁通不平衡的问题，因为磁通分布在铁心的每一部分的等效总磁通量是不同的，有一些部分可能会提前饱和。所以，磁性器件集成的分析与研究将会越来越复杂。但其所产生的高功率密度的优点，必是今后电源适配器发展的趋势。自1995年到现在，美国电力电子系统中心(cPEs)对磁性器件集成作了非常多的研究工作，使用耦合电感的概念对多相BUCK电感集成做了深入研究15J51且运用于各种各样不同类型的变换器中。2002年，香港大学Yim—ShuLee等人也指出多方面针对磁集成技术的研究与构思。
(3)电容
不同的电容在电源适配器中的作用：滤波电容作为线性滤波元件用于抑制外部噪音进入电源适配器内部以及内部噪声外出，比如一般所说的x电容是用来抑制正态噪音的．而Y电容是用来抑制共模噪音。吸收电容可吸收开关管、变压器、电感等产生的浪涌，用于保护开关电路。平波电容用于平滑纹波电流。一般要求电容的体积小、泄漏电流小、等效串联电阻(ERS)／J',。当有电流利用电容时，ERS小，电容自身的发热就小，对能效的改善是有益的。
现阶段研究的关键是开发适合于功率电源适配器系统用的新型电容器和超级大电容。要求电容量大、等效电阻(EsR)小、体积小等。美国KEMET电子公司在20世纪90年代末已开发出330¨F新型固体(SolidTantalum)电容，其ESR从原来的500ml／降到30mfl门。
3．2电路结构的改善在电源适配器能效提升上的运用
(1)待机节能芯片解决工频电源适配器能耗问题的方法
过去因为线性电源固有的特点，提升其能效、降低空载功率消耗是十分困难的，应对着各种各样法规的要求，它面临被最后取代的风险。可是因为其节省成本的优点依然吸引着大家利用电路结构的转变而达到能效要求的目的。如图1所示。利用高灵敏度的电流检测技术(如霍耳传感器)检测在负载端的工作电流情况，经弱信号涮理电路和高灵敏度的比较器来解决，利用待机节能芯片判定是不是开启内部开关为变换电路供电。其关键技术之一是自带高压电流源，它能够直接从高压端与电源芯片相连启动电源。当电源适配器启动后，内部高压电流源关断，由辅助电源适配器供电。这样既能够降低启动消耗又可以有效确保响应时间。深圳光华源科技有限公司最新推出待机节能芯片NA22150P用于外部电源适配器，进而使外部实现超低待机耗能(≤0．1W)％
(2)开关电源的谐振型开关技术
开关电源的控制方式从大类分为两种：脉冲宽度调制方式(PWM)和谐振方式。PWM中采用的开关是在大电流和高电压处关断的，在开关瞬问，开关管自身必然消耗大量的功率，降低了电源适配器的能效。采用谐振型的技术实施的是软转换，它在电流或电压波形的过零处关断开关，开关的消耗远远小于PWM方式，近乎为零。与此同时，因为PWM技术同有的开关损耗使其无法在高频段工作，一般只能工作在400—500kHz。而谐振型的开关方式能够工作在200kHz一1MHz。较高的开关频率可减小变压器和输出滤波器的尺寸，减小电源适配器的纹波系数。
(3)跳周期
跳周期是一类常见的降低待机耗能的方法。现阶段，为提升电源效率．一般采用开关电源模式，开关频率在几十千赫兹到儿百千赫兹之间，某些产品能够实现上兆赫兹。
因为开关次数高，在电源适配器的总体消耗中，尤其是在高频、高电压、大电流应用中，开关损耗占了非常大的比例。而在待机时输出负载要求很低。安森美半导体电源管理芯片能够内部集成比较器，利用监测反馈信号，当负载降低时使驱动信号的非连贯簇脉冲替代连续脉冲。安森美半导体的PWM控制器如NCPl2XX系列均具有跳周期功能，利用跳周期的方式可有效降低待机耗能，满足常见的待机标准。
(4)频率回走
频率回走常见于小功率的情况。常说的的频率回走指的是当负载降低时。利用降低原来的开关频率来降低开关损耗。安森美半导体的PWM控制器NCPl215,rNCPl351采用这种待机形式，在轻载或空载时延长时间使开关频率降低，以实现低耗电的目标。此技术应用于充电器可以让其待机功率在0．3w以下191。
4结语
电源适配器能效改善是一个持续演进的过程，厂家必须不停地改善原材料、元器件及电源电路的拓扑结构。在生产成本允许的条件下，能否及时地将能效新技术投入到产品中去，必须来自各方面的推动。政府和认证机构通过了解市场和技术的发展水平，提出新的要求，引进新的技术，可引领厂家向更高的目标前进。

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| 发布时间：2020.12.26 来源：

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