提供電池充電AC-DC電源應用

正當您以為把握住了外部電源能效標準時，另一套能效標準又橫空出世。 昨天的標準已然不再足夠好，制造商們不能就此自滿。

滿足能效標準并不是一次性可以解決的。 出于履行旨在緩解氣候變化的全球協議需要，各國政府出臺了眾多法規，逐步提升外部電源等產品的最低能效要求。 設備制造商有責任不僅達到這些標準，還要保持競爭優勢，尤其是當他們希望確保其產品覆蓋盡可能廣泛的市場時。

目前最苛刻的強制性要求是美國能源部 (DoE) 規定的 VI 級標準，該標準自 2016 年 2 月起生效，適用于供應到美國國內市場的產品。 而且，目前歐盟“行為準則”要求將作為新的標準，在未來兩年內成為歐盟的強制性生態設計規則。 初始部分與 VI 級標準大體一致，但下一級設定了更嚴格的目標。

包括外部電源在內的設備制造商通常希望能夠靈活地向全球市場供應其產品，而不必擔心運往美國、歐洲或其他國家的貨物是否符合這些國家的相關法規。 因此，領先的外部電源制造商致力于確保其產品在強制性合規要求截止日期之前就達到即將生效的新標準。

監管的必要性

加州大學伯克利分校實驗室在 1998 年進行的一項研究估計，美國居民用電消耗中多達 5% 是由于家用電器待機產生的。 這大約相當于每年超過 30 億美元的能源成本。 按照美國能源部 2004 年報告的 12.9 億兆瓦時 (MWh) 居民用電消耗，這一百分比的能源浪費總量達到 6400 萬兆瓦時，相當于 18 座典型發電廠的產量，這一數據實在是太驚人。

早期提高家用電器能效的倡議是自愿性的，包括最初針對 IT 行業的“能源之星”計劃，但隨后包含了消費產品和更廣泛的商業市場。 盡管如此，直到 2004 年加利福尼亞州能源委員會才通過了首個實施能效標準的法規。 不久以后，在美國、歐洲以及世界其他地區紛紛仿效出臺了同等的標準，如圖 1 時間線圖所示，其中還展示了為使法規與識別電源能效水平的國際標識協議相一致而所做的努力。

圖 1：從 2004 到最新的 2016 美國 DoE VI 級法規以及即將實施的歐盟 CoC 和生態設計要求的能效標準演變。 （圖片由 CUI Inc. 提供）

外部電源 (EPS) 在 20 世紀 90 年代初估計有超過 10 億個，其能效低至 50％，因浪費能源而臭名昭著，這主要是由于當時采用的是線性技術。 更糟的是，當終端設備關閉或斷開連接時，它們還會繼續消耗功率。 外部電源的增加消耗預計要占到總能量消耗的 30%，且有增無減。 因此，之后立法的很多重點放在了空載功耗和美國政府 2007 年實施的旨在避免大約 2 億公噸二氧化碳排放（相當于近 4000 萬輛汽車的溫室氣體排放量）的標準之上。

現今的監管狀態

原始設備制造商 (OEM) 面臨的挑戰是跟上不斷演變的能效規則的步伐，并理解其中哪些為特定地區的強制性法律規定。 目前加拿大強制執行 IV 級標準，在澳大利亞這仍舊是自愿性的。 歐盟要求更苛刻的 V 級標準，而在美國自 2016 年 2 月開始法律要求為 VI 級。 通常，對于希望服務于全球市場的 OEM，避免多個產品變型、庫存和物流問題復雜性的最佳策略是確保其產品符合最新、最嚴格的標準。 目前，就強制性合規要求而言，意味著必須達到 VI 級標準，然而如下一部分所述，更嚴格的規則即將發布。

正如人們所預料的，與 IV 級和 V 級相比，VI 級對 EPS 必須實現的平均能效和空載功耗實施了更為嚴格的限制。 因此，舉例來說，額定功率輸出在 49 W 到 250 W 之間的電源現在能效需要相應從 85% 和 87% 提高至高于 88%，在空載條件下的功耗需要相應從 750 mW 和 500 mW 降低至低于 210 mW。 這些要求詳見下表（圖 2）。

而且，VI 級規范現在覆蓋 AC-AC 電源，包括更高功率的 AC-DC 轉換器類別 (>250 W)，并區分出 1 W 及以下的電源。 此外，還加入了現在分類為基本電壓電源和低壓電源（銘牌輸出電壓低于 6 V 且輸出電流 ≥550 mA 的電源）之間的區分。 并且，首次在 DoE 標準中對多路輸出電源進行了規定。 其對直接和非直接操作之間也進行了區分，因此在該法規中僅包括無需電池輔助在最終產品中工作的直接操作電源，而被定義為非電池充電器電源、在沒有電池輔助情況下無法工作的非直接操作 EPS，仍受先前的 EISA2007 能效法規的約束。

除不包括非直接操作電源以外，VI 級還定義了 EPS 產品的一些特定豁免條款。 值得注意的是，這些豁免條件包括：電源須由聯邦食品藥品監督管理局列入并認定為醫療器械的醫療應用；額定輸出電壓 < 3 V 且輸出電流 ≥ 1 A，為完全或主要由電機驅動的產品提供電池充電的直接操作 AC-DC 電源。

對于 VI 級合規要求，以有源模式操作的 EPS 需要達到在規定負載水平 25%、50%、75% 和 100% 時獲取的四個能效測量值的平均值所確定的最低能效。 總是較低的負載導致較差的能效，并且為了滿足更嚴格的 VI 級限制，EPS 設計人員需要考慮提升低負載能效的方法并重新審視所采用的電路拓撲結構。 因此，在更高電壓下操作的更高功率輸出的電源可以繼續使用 LLC 諧振變換器，并且已制定的反激式設計對于更適中的功率輸出電源可能也適合，但是對于需要提供更高輸出電流的較低電壓電源，則需要不同的解決方案。 例如，將次級電路設計從簡單的二極管整流變為同步整流，有助于提高平均能效和空載性能，但需要次級側控制器來接通和斷開同步 FET。

實現 VI 級合規要求的另一種方法就是像制造商 CUI 一樣，降低電源的開關頻率。 如在 V 級產品中一樣，控制 IC 通常以 65 kHz 的頻率工作，但在輕載和空載條件下將其降低到 22 kHz，可大大降低功率損耗并提高能效，如圖 3 所示。

圖 3：降低輕載和空載條件下的開關頻率有助于符合 VI 級平均能效規范。

全球化階段與協調

如前所述，從圖 1 中也可以看出，全球能效法規的實施和采納相當分化，并摻雜著適用于不同地理區域的自愿性和強制性法規。 不幸的是，盡管政府及其他機構心懷良好意愿，希望各種標準協調一致，然而仍舊需由電源制造商和 OEM 來確保其產品的合規性。

我們所看到的過程并非協調一致的，似乎更像是各國或各地區試圖趕上并超越其鄰國的一場競相提高的游戲。 歐盟是其 EPS 能效行為準則 (CoC) 規則的最新挑戰者。 其 2013 年 10 月發布并自 2014 年 1 月起生效的基于自愿原則的 1 級標準采用了現有的生態設計指令，該指令使歐盟與 2011 年的 V 級標準協調一致，并將其要求提高到與 DoE VI 級標準大體相當。 CoC 1 級標準當前正在接受有關部門的審查，預計將于 2017 年 1 月前作為生態設計規則強制實施。 接下來是歐盟的 CoC 2 級標準，它超越了 VI 級標準，自 2016 年 1 月起生效并基于自愿原則實施，并且也在接受審查，可能于 2018 年 1 月作為生態設計規則強制實施。

我們再次了解了一下 VI 級和 CoC 1 級之間的細微差別，然后你就會體會到 2 級將會如何的嚴格。從制造商的角度來看，這是生死攸關的，特別是在他們的目標是通過滿足最嚴格的規范來實現對所有這些標準的合規時。

與 VI 級相比，CoC 1 級對基本電壓外部電源的空載功耗限制不是太嚴格，這一點可能令人驚訝。 對于額定值為 0.3 W 至 49 W 的電源，適用的最大值為 150 mW，對于 49 W 至 250 W 的電源，最大值為 250 mW，相對于同等 VI 級設備，其相應限值為 100 mW 和 210 mW。 2 級空載功耗限制的設定低于 VI 級，為 75 mW (0.3 W < Pout ≤ 49 W) 和 150 mW (49 W < Pout ≤ 250 W)，這一點并不那么讓人驚訝。

較明顯的差別在于 CoC 規則引入了 10% 全額定輸出電流時的有源模式最低能效。 這是 VI 級標準用于測量能效的四點平均法之外的補充，正如我們前面所指出的，它提出了更大的挑戰。 與 VI 級相類似，在能效測量方面，CoC 規則對 AC-DC 和 AC-AC 電源的處理相同，但基本電壓和低壓電源之間存在區別，具有不同限制。 與空載標準一樣，我們看到 CoC 1 級平均能效要求的嚴格程度略低于 VI 級，而 2 級的要求則更苛刻一些。

確保全球合規性的解決方案

原始設備制造商有責任確保其所生產的任何產品均符合相關能效法律規定，包括在任何地區銷售的外部電源。 顯然，EPS 符合最嚴格的現行法規可避免對不同地理區域市場采取不同產品配置的復雜性。 對于購買電源與其最終產品捆綁銷售的 OEM 來說，其好處是，他們能夠更容易地選擇滿足最新、最苛刻的能效標準的供應商。

CUI 是在電源設計領域處于領先地位的技術公司。 其在 VI 級標準要求成為強制性要求的一年多以前就推出了符合這些標準要求的外部電源。 這些產品覆蓋 5 W 到 150 W 的電源適配器，并包括如圖 4 所示的桌面式、壁插式和 USB 產品。 CUI 的目標旨在“保持領先于快速演變的全球能效法規，確?？蛻粼O計能在更嚴格的能效規則成為法律要求時保持合規性”，因此我們可以合理期望很快看到符合 CoC 標準的產品公布于眾。 我們還可以期望通過諸如 Digi-Key 這樣領先的分銷商輕松獲得這些產品。

圖 4：CUI SWI12-E 12 W 壁插式系列