|
1 引言
在几乎所有应用电功率变换的场所，对于长时间处于运行中的设备而言，工作效率始终是它们最重要的性能指标之一。变换效率(η)的定义与表达式如下所示[见式(1)]，即是输出功率(Pout)除以输入功率(Pin)的比率。
效率(η)=输出功率(Pout)/输入功率(Pin)(%) (1)
高效率的设备意味着它们具有良好的功率变换能力。电源系统的空载功率损耗主要由其控制电路和功率电路两个部分的功率消耗产生，控制电路的效率可以通过计算或者实测得到的比较准确的数据来判别，但空载时的功率电路往往是以间隙性模式工作的，为此，功率电路的空载功率损耗不易用计算的方法得到。所以，电源系统实际的效率判定可以在100%、75%、50%和25%的负载状态下，用实测得到的效率之值来衡量。
众所周知，在设备的输出功率为零时，效率值也减少至零。在这种情况下，设备没有消耗能量，即电源处于待机状态，可见此时的输出功率被全部浪费掉了。同时，我们都清楚，一般情况下，单台设备的待机功率损耗可能是很少的，但是，近几十年来，电子电气设备的发展突飞猛进，全球用电设备已形成了一个十分庞大的数量，所以，全球用电设备总的待机功率损耗量是个十分可观的数字。例如，有报道称，2000年时，澳大利亚家庭所消耗的电能中，有11.6%是因待机功率损耗买的账单，如果将其折算成货币，其价值超过5亿美元。而且，这一部分所消耗的电能相当于排放出500万吨CO2。鉴于此，近20年来，尤其是进入本世纪以来，在节能减排、绿色环保的一片呼唤声中，减少待机功率损耗的问题引起了遍及全世界人们的关注和重视，减少待机功率损耗的研究力度也随之加大，包括强制性法规的制订落实和技术层面的措施。
2 许多国家和地区或组织机构拟订颁发了一系列强制性的减耗法律法规和技术标准
为了积极应对温室效应和全球变暖产生的环境问题，确保世界经济和社会可持续发展，世界上许多国家、地区和组织机构制订颁发了多种具有强制性执行要求的节能法规和技术标准，现择要介绍如下。
2.1 欧洲经济共同体关于空载功率损耗规范
2001年1月开始，欧洲经济共同体(EEC, European Economic Community)制订并要求其成员国执行严格的设备空载状态下的功率消耗规范。表1所列为其各个执行阶段的详细规定。
2.2 美国加州能源委员会(CEC)的能源之星(ES, Energy Star)计划提出的节能规范
表1 EEC关于待机功率损耗的规定
额定输出功率 空载功率消耗
第一执行阶段 第二执行阶段 第三执行阶段
2001年1月1日 2003年1月1日 2005年1月1日
0.3W-15W 1.0W 0.75W 0.3W
15W-50W 1.0W 0.75W 0.5W
50W-70W 1.0W 0.75W 0.75W
美国加州能源委员会的能源之星计划中提出的节能规范只对单路输出且输出功率小于250W的外置电源提出了要求。规范将外置电源的待机功率损耗和平均功率分成六个等级，并标志为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，同时规定了标准的测试条件与方法，如表2所示。目前，全世界绝大多数国家和地区已采用“能源之星”规范中对能效标准的分级，测试标准与方法以及标签。
美国能源法EISA也明确规定，于2008年7月1日起对外置电源要强制执行美国的能源之星(ES)Ⅳ级标准，并于同年11月1日起强制执行ESⅡ级标准。
2.3 欧盟提出的节能标准—EC 278-2009
欧盟于2009年4月6日正式颁发了《外置电源生态化设计标准，即EC 278-2009》的实施计划。EC 278-2009标准于2009年4月6日颁发之日起生效，规定了分两个阶段实施如下能效标准。
第一阶段，自2010年4月26日起，强制实施《能源之星》Ⅳ级标准。
第二阶段，自2011年4月26日起，强制实施《能源之星》Ⅱ级标准。
2.4 澳大利亚、新西兰、韩国等的节能法规
澳大利亚和新西兰的节能法规只要求检测在230V/50Hz时电源产品的能效，并且达到《能源之星》Ⅲ级标准即可上市销售。对此，澳大利亚已于2008年12月1日起强制执行，新西兰也于2009年4月1日起开始强制执行。韩国在2008年时也仅要求自愿参加认证标志的能效等级，2008年是从自愿认证到强制执行的过渡时间。2010年开始强制实施《能源之星》Ⅲ级标准。
2.5 我国的节能规划
我国是最早加入和引进《能源之星》计划的国家之一。2004年，我国就参照《能源之星》计划提出了待机功率损耗的规定（见表3所列）。不过，那时还处于厂家自愿认证的状况，尚无明确的强制规定执行《能源之星》节能规范的计划与法规。
表3 Energy Star和中国的待机功率损耗规定
规定发布者 Energy Star 中国
实施开始日期 2004年11月1日 2004年11月1日
规定类型 自愿 自愿
额定输出功率 最大空载功率(W) 最大空载功率(W)
0＜W≤10 0.5 0.5
10＜W≤250 0.75 0.75
从有关报道和统计可见，虽然不同国家和地区对节能规范的引进时间、执行力度的要求有所区别，但全球范围内人们的节能意识和行为都在不断增强。根据美国《能源之星》计划的电源厂家已达到125家，其中我们中国的厂家占80家，达到64%。这可以说明我国对节能减排、保护环境工作的重视，这也说明，我国的电源厂家在电源产品的升级换代上加快了步伐，从厂家自愿认证过渡到立法强制实施《能源之星》的节能法规与标准，我国已取得显著成绩。
3 减少空载待机功率损耗的一些技术措施
3.1 概述
目前，世界各国的电源节能标准只对单路输出且输出功率小于或等于250W的外置电源提出了要求。在250W输出功率范围内的电源，可以根据功率变换电路分为单级变换电源和两级变换电源两种。选择那一种可以根据电源的输入功率是否超过75W并且能够满足标准EN61000-3-2网侧电流谐波的要求进行。为了达到节能规范要求的空载待机功率损耗和平均效率，单级和两级功率变换电源采取的技术手段是不相同的。降低电源的空载损耗是节能电源的关键技术，输出功率越大，降低空载电能损耗越困难，特别是针对两级功率变换的电源。例如，5W的手机充电器容易达节能规范的要求，而250W的电源要达到0.5W以下的空载功率损耗就是个挑战性课题。
电源的空载功率损耗主要由控制电路损耗和功率电路损耗两部分组成，控制电路的功率损耗又可分为原边控制电路损耗和副边控制电路损耗两部分。在控制电路的功率损耗中，原边控制电路芯片及其启动电路的功耗占主要部分。采用低功耗的控制芯片是降低控制电路功耗的关键，并且，低功耗的芯片还可以相应地降低启动电路的功耗。空载时，功率电路工作在间隙脉冲模式，所以，功率电路的损耗很难通过计算得到比较准确的数据。因此，功率电路的损耗常常是通过对产品进行实测所得结果来分析和判定的。
3.2 功率变换电路和控制电路的降耗方法探讨
以上谈到，在250W输出功率范围以内的电源中，功率变换电路分为单级功率变换和两级功率变换是根据电源的输入功率是否超过75W进行选择的。
在单级功率变换的电源中，降低空载功率损耗的主要方案是选用合适的节能型控制芯片。在常用的Bipolar、CMOS和BiCMOS三种半导体技术中，由于BiCMOS技术的高可靠性和低功率损耗特性，已被许多电源厂家如Onsemi、TI、NXP、ST和BCD等采用。其中BCD已经研制成功了与传统的38X系列引脚完全兼容的节能型PWM控制芯片。
在两级功率变换的电源中，降低空载功耗的控制芯片解决方案又分为单芯片和双芯片两种方案。单芯片解决方案如NXP公司推出的TEA1750方案；双芯片解决方案如ST公司推出的L6563和L6599组合方案。降低两级功率变换电源的功率电路之损耗比单级功率变换电源要困难得多，需要功率因数校正级(PFC)与后一级的DC-DC功率变换级很好地协调工作，让电源工作在降低间隙工作模式或降频工作模式，以减少开关管的工作次数或工频回路工作的占空比，达到降低空载待机损耗的要求。 | 
