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技術(shù)專題
外部電源效率額定值
外部電源效率額定值
電源的效率僅是其消耗的能量與它提供的能量之間的比率。沒(méi)有任何設(shè)備可以達(dá)到完美的效率。在熱或電磁場(chǎng)中總會(huì)有損耗。主要原因是有源元件損耗（MOSFET和二極管開(kāi)關(guān)損耗）引起的，其次是無(wú)源元件損耗（電阻器，電容器和電感器阻抗損耗）。它趨向于利用電源中較高的開(kāi)關(guān)頻率，這會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)電源電路效率低下，因此，大部分工作都旨在減少有源組件的損耗。
效率還將取決于負(fù)載。甲電源的效率無(wú)負(fù)載下將在典型的操作負(fù)載或最大額定負(fù)載的不同。效率隨負(fù)載變化的變化將是非線性的，通常在正常運(yùn)行負(fù)載或接近正常運(yùn)行負(fù)載時(shí)處于最高值。
各種效率等級(jí)是多少？
自2004年以來(lái)，僅在美國(guó)就頒布了涉及最低效率和外部電源空載功耗的強(qiáng)制性法規(guī)。在此之前，環(huán)境保護(hù)署（EPA）實(shí)施了一項(xiàng)自愿性計(jì)劃以促進(jìn)能源效率，該計(jì)劃后來(lái)演變?yōu)?span>“能源之星”計(jì)劃。問(wèn)題出在全球各國(guó)采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，使在全球市場(chǎng)上買(mǎi)賣(mài)產(chǎn)品時(shí)生活變得復(fù)雜。在這種情況下，出現(xiàn)了《國(guó)際效率標(biāo)記協(xié)議》，該協(xié)議規(guī)定了空載功率要求和平均效率要求的性能閾值。
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等級(jí) |
空載功率要求 |
平均效率要求 |
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一世 |
不符合定義的標(biāo)準(zhǔn) |
不符合定義的標(biāo)準(zhǔn) |
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II |
沒(méi)有正式建立標(biāo)準(zhǔn) |
沒(méi)有正式建立標(biāo)準(zhǔn) |
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三級(jí) |
≤10 W：≤0.5 W空載功率 10至250 W：≤0.75 W空載功率 |
≤1 W：≥功率x 0.49 1至49 W：≥[0.09 x Ln（功率）] + 0.49 49至250 W：≥84％ |
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IV |
≤10 W：≤0.5 W空載功率 10至250 W：≤0.75 W空載功率 |
≤1 W：≥功率x 0.50 1至51 W：≥[0.09 x Ln（功率）] + 0.5 51至250 W：≥85％ |
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伏特 |
標(biāo)準(zhǔn)電壓AC-DC型號(hào)（> 6V輸出） |
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0至49 W：≤0.3 W空載功率 |
≤1 W：≥0.48
x功率+ 0.140 |
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低壓AC-DC型號(hào)（<6V輸出） |
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0至49 W：≤0.3 W空載功率 |
≤1 W：≥0.497
x功率+ 0.160 |
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六號(hào) |
標(biāo)準(zhǔn)電壓AC-DC型號(hào)（> 6V輸出） |
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≤49 W：≤0.1
W空載功率 |
≤1 W：≥0.5 x功率+ 0.160 > 49至250 W：≥88％ > 250 W：≥87.5％ |
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低壓AC-DC型號(hào)（<6V輸出） |
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≤49 W：≤0.1 W空載功率 |
≤1 W：≥0.517 x功率+ 0.087 > 49至250 W：≥87％ > 250 W：≥87.5％ |
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規(guī)則是否有例外？
就像生活中的所有事物一樣，每條規(guī)則都有例外。并非所有外部電源都必須符合這些級(jí)別。美國(guó)和歐盟都有豁免。例如，在美國(guó)，與醫(yī)療設(shè)備一起使用的外部電源屬于聯(lián)邦食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）的管轄范圍，而不是這些EPA規(guī)定。
另一個(gè)麻煩是，新的EPA規(guī)則僅適用于直接運(yùn)行的外部電源。電源在沒(méi)有電池協(xié)助的情況下操作最終產(chǎn)品，包括電池充電器。間接操作外部電源需要借助電池來(lái)操作其最終產(chǎn)品。間接操作外部電源仍符合IV級(jí)規(guī)則。
推動(dòng)效率規(guī)則的是什么？
首先，EPA最初將IV級(jí)規(guī)則應(yīng)用于所有外部電源，隨后由于某些類型的節(jié)能效果，最近將某些類型的IV級(jí)轉(zhuǎn)換為VI級(jí)。據(jù)估計(jì)，在過(guò)去的十年中，規(guī)則的變更使能源消耗減少了300億千瓦以上。那是三個(gè)，然后是九個(gè)零瓦。這意味著節(jié)省了約250億美元，并將CO 2排放量減少了10億噸。
在全球范圍內(nèi)，有超過(guò)十億人使用個(gè)人計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備占家庭用電量的15％以上，而且這一數(shù)字還在迅速上升，而這一切都早于Covid-19大流行及其導(dǎo)致的向更大的家庭工作和偏遠(yuǎn)地區(qū)轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。學(xué)習(xí)。有超過(guò)20億臺(tái)電視機(jī)，全球一半以上的人口擁有移動(dòng)電話服務(wù)。所有這些設(shè)備都需要電源，據(jù)估計(jì)，經(jīng)常使用的外部電源超過(guò)50億個(gè)。不難看出，當(dāng)我們處理如此巨大的指標(biāo)時(shí)，全球簡(jiǎn)單的1％的效率提高會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響?，F(xiàn)實(shí)情況是，最常見(jiàn)的低成本AC / DC轉(zhuǎn)換器的效率范圍僅為80％至90％。當(dāng)今的技術(shù)可以毫不費(fèi)力地實(shí)現(xiàn)95％的效率，而性能更好但價(jià)格昂貴的組件則可以達(dá)到97％或98％的水平。僅從節(jié)省成本的角度看待影響，就很容易理解為什么發(fā)達(dá)國(guó)家在推動(dòng)提高效率。環(huán)境效益是一項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。
如何提高效率？
快速的答案是，電源供應(yīng)器中使用的組件要比半導(dǎo)體器件演變成更小且需要更少的功率來(lái)運(yùn)行更有效。在過(guò)去的幾十年中，推動(dòng)這一趨勢(shì)的主要因素之一是全球數(shù)據(jù)中心的激增。當(dāng)他們最初使用效率低下的大型服務(wù)器時(shí)，產(chǎn)生的熱量非常巨大。這就需要將復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)安裝到位，從而增加了運(yùn)營(yíng)成本。近年來(lái)，向基于Internet的生活的轉(zhuǎn)移導(dǎo)致對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，處理和網(wǎng)絡(luò)資源的需求激增，以促進(jìn)對(duì)信息，娛樂(lè)和通信的全天候需求。預(yù)計(jì)在Covid-19出現(xiàn)之前，這種現(xiàn)象會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)。當(dāng)前的大流行正在推動(dòng)更多的在線商業(yè)，零售和娛樂(lè)活動(dòng)，僅增加了預(yù)期的增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)中心的最高運(yùn)營(yíng)成本是電力供應(yīng)，因此，即使電源效率稍有提高也會(huì)產(chǎn)生重大影響。
一種提高效率的技術(shù)是使用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）代替硅作為電力電子設(shè)備的基礎(chǔ)。這些寬帶隙材料帶來(lái)了顯著的物理和化學(xué)優(yōu)勢(shì)，包括明顯更高的能源效率。它們可以在更高的開(kāi)關(guān)頻率和溫度下工作，從而提高了工作效率。有源組件中發(fā)生的損耗是由增加開(kāi)關(guān)頻率的要求所驅(qū)動(dòng)的。電流的突然變化通常由于功率器件的切換特性而導(dǎo)致?lián)p耗。柵極電荷效應(yīng)，漏極電容和開(kāi)關(guān)重疊效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致這種能量損耗，從而導(dǎo)致發(fā)熱效應(yīng)。未來(lái)很可能會(huì)看到有機(jī)半導(dǎo)體器件的引入，由于它們的泄漏電流大大降低，預(yù)計(jì)可以提供更高的效率。
另一項(xiàng)技術(shù)是針對(duì)低負(fù)載條件引入高級(jí)控制算法，在這些條件下，電源通常處于最差的效率水平。在低負(fù)載下實(shí)現(xiàn)最小輸入功耗，同時(shí)保持所需的輸出電壓水平可能是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。用于實(shí)現(xiàn)此目的的技術(shù)包括檢測(cè)負(fù)載，并根據(jù)需要在專用的低電流驅(qū)動(dòng)器電路和標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器電路之間進(jìn)行切換，從而可以針對(duì)每個(gè)電路的特定輸出電流范圍對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。其他選擇包括減少在低負(fù)載下為功率器件供電的柵極驅(qū)動(dòng)器，以反映在這些條件下流經(jīng)那些器件的電流的減少。越來(lái)越多的專家提供低功率轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)低負(fù)載功能，
改變的另一個(gè)誘因是移動(dòng)設(shè)備（尤其是智能手機(jī)和平板電腦）的普及率上升。消費(fèi)者在越來(lái)越小的設(shè)備中要求越來(lái)越多的更好功能，以及越來(lái)越長(zhǎng)的電池壽命。電池技術(shù)可以提高多少以增加能量存儲(chǔ)密度是有限度的。電池壽命的改善主要是通過(guò)提高功耗組件的效率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。