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功率技術/新能源  

最佳化電源管理設計提高住宅用電效率

上網時間: 2007年10月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:二氧化碳  全球暖化  環保 

據統計,電力生產過程中排放的二氧化碳量約佔全球二氧化碳排放量的40%。因此,若能降低電力需求,則減緩全球暖化、促進環保的工作就能取得重大進展。許多新興研究均指出私人住宅的電力浪費情況相當嚴重,甚至在入住前就已產生。同時,設備設計師們正面臨不得不採取新方法來設計出更節能產品的壓力,而一部份壓力則來自立法。

供暖、空調、照明、烹飪曾被認為是私人住宅中首當其衝的‘耗能大戶’,並因此備受關注。隨後的法規開始將重心轉移到環境溫度控制和熱水系統的建築和隔熱保暖標準上來,特別是根據‘能源之星’和其它節能及綠色建築標準建造的住宅。然而,能源浪費的源頭不止這些,還有更多。

最危險的電力消耗品往往是被忽略的產品,這些產品看上去已經關閉,但實際上,當他們在待機空閒狀態時,卻仍在繼續消耗著電能。充電器(壁式)、DVD播放器、視訊轉換盒和電視機都屬於此類產品。必須重申的是,由於近年來政府立法和計劃的重心開始放在設定最大空載和待機功耗限制上,因此設計這類產品的工程師們必須尋求新的解決方案來滿足這些法規的要求。

為釐清私人住宅中形形色色且不易辨識的耗電來源本質,相關機構正在進行幾項新研究,其中一項由加州的美國勞倫斯伯克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)執行,研究對象集中在加州13所尚未入住的新住宅中的電器設備。

在本次研究中,對建築者安裝的所有家用電器在工作和待機兩種模式下均進行了現場測試。結果顯示,這些未入住的新住宅平均耗電量為800千瓦時/年,其中低功率模式下的設備耗電量佔了約一半。平均低功率消耗(約440千瓦時/年)轉換為大約50瓦的持續待機功率,這還是在沒有任何人入住的情況下!同時還應該說明的是,有幾種電器的待機功耗比預期的高出許多:煤氣壁爐5瓦;結構化佈線板/電源供電視訊攝影鏡頭及一個寬頻路由器為20瓦;車庫門開門機為5.4瓦。

隨著新型消費性產品的快速發展,可確定屋主將會不斷購置其他設備,如家庭娛樂系統以及有線或無線網路設備,這些同樣會造成待機和空載功耗的浪費。

數位電視配接器(DTA)是新技術受政府法規影響的典型示例。到2009年2月,沒有接通有線電視或衛星電視的美國住宅將需要大約3,000萬台數位電視配接器。目前,‘能源之星’正著手相關規格的制訂,要求休眠模式下的功耗最多不超過1瓦,且在數小時處於不活動狀態時強制進入自動斷電模式。

隨著全球暖化的公共意識日漸增強,世界各地的法規認證機構也正在制定更嚴格的節能標準。且各認證機構已開始將目光轉向全球性的統一標準,不再侷限於個別地區和國家。最突出的例子是外接電源(EPS)標準:包括歐盟委員會、CECP(中國節能產品認證中心)、澳州Green Office以及KEMCO(韓國能源管理公司)在內的眾多認證機構均計劃採用與‘能源之星’和加州能源委員會(CEC)相同的標準。最後,一些機構已從最初要求自願遵循相關標準轉變為強制推行相關標準。在美國,許多州一直效仿加州能源委員會,並已實施相關強制要求。

此外,外接電源規格也顯示了另一個重要的法規發展方向。除了要求低功率配接器有0.5瓦的最大空載功耗外,EPS規格還要求在寬負載範圍內達到平均最低負載模式效率,如表1所示。

表1:能源之星/CEC外接電源效率規格
表1:能源之星/CEC外接電源效率規格

對電源設計師來說,這些新要求意味著過去曾在空載功率、待機功率以及整體電源效率方面獲得認可的設計已變得無法接受。在新的法規環境下,設計師們必須摒棄舊的設計習慣並採用新技術,以滿足這些更嚴苛的要求。

要想在節能方面取得如此大的改善確實是一項艱鉅挑戰。但好消息是由於近年來積體電路技術取得了重大進展,使用這些技術設計的電源能在工作功率範圍內持續高效率執行,在待機模式下的功耗極低,且不會帶來額外成本。

不久前,許多電源(包括內建電源和外接電源)還在使用帶線性穩壓器的線性變壓器。這一傳統方法幾乎不可能達到50%以上的功效,功率浪費始終存在,甚至在空載條件下也是如此。不僅如此,由於近年來銅價一路上揚,使線性電源的成本優勢喪失殆盡。其結果是,今天幾乎所有的新型電源都採用開關技術設計。

Power Integrations是一家功率轉換IC製造商,該公司於1998年推出了EcoSmart技術,利用此項技術設計的開關電源,能在待機和空載條件下以更高效率工作。透過整合,電源不再需要任何外部元件,這樣不僅能降低系統成本,還可大幅提高可靠性。在採用EcoSmart技術設計的IC中,晶片上整合了可檢測電源處於低功率狀態(空載或待機)的電路。元件隨後會採取一個或多個步驟,以提高電源在此狀態下的效率。它會降低工作週期,即限制對負載供電,並吸收更少的電流。其次,它會進行週期跳頻以等待元件醒來,只在一個短暫週期內使用電能。這樣不僅能有效降低電源的平均工作頻率,減少開關損耗,還能在低功率條件下提高效率。

圖1所示為採用TinySwitch-III穩壓器設計的電源,可說明功率轉換晶片的作用。透過偏置繞組以及三個外部元件,即可將電路待機消耗從300mW大幅降低至30mW。因此,1美分的額外元件成本可達到每年節省27美分的能源消耗成本。圖2顯示該設計使整個功率工作範圍效率性能達到一致的情況,符合當前節能效率規格的發展趨勢。

在實現住宅‘零電力消耗’的發展過程中,可透過太陽能壓電技術來滿足降低功率的需求。雖然智慧建築設計已大幅改善了功耗情況,但由於開門控制、監控攝影機及其他電子產品不斷成長,降低功耗仍然面臨著漫長的探索之路。因此,高效率的開關電源遂成為所有電子設備設計師的必然選擇。以開關電源替代耗電的線性電源,工程師們設計的產品可輕鬆符合新興節能法規。

圖1:空載功耗低於30mW,帶偏置繞組。
圖1:空載功耗低於30mW,帶偏置繞組。

圖2:不同負載模式下的工作效率。
圖2:不同負載模式下的工作效率。

作者:Rich Fassler

Power Integrations




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