超低待机功耗充电器和适配器电源的最新规范

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超低待机功耗充电器和适配器电源的最新规范 [复制链接]

在数世纪来毫无节制的浪费后，人类终於不得不正视全球暖化对大自然带来的巨大改变，诚如联合国秘书长潘基文(Ban Ki-moon)所指出：「『终结赤贫、保证繁荣共用、保护自然环境』是联合国全球永续发展小组(Global Sustainability Panel；GSP)為永续发展所提出呼吁。」其中，「保护自然环境」的具体实践之一，即是目前世界各国已然发起的各项排碳节能计划。而手机及行动装置的充电器及适配器全球的销售量在目前欧美经济不振的阴影下却仍然有增无减。
手机设备充电器效能分级制度的规格要求如图



      根据外国知名市场研究公司Canalys今年年初发佈的2011年第四季度全球智慧手机和PC出货量报告指出，该季智慧手机总计出货量為1.585亿台，2010年同期為1.012亿台，同期成长57%；PC市场2011年第四季度的出货数量為4.146亿台，与2010同期相比成长15%，相对应的充电器及适配器出货量的成长更是想当然尔的事。

      但一般人未以查觉的是这些应用在不知觉中浪费的耗电总量其实相当惊人，若能一定程度的重视此区块，定能对排碳救地球贡献一分力量。本文即是针对手机及行动装置充电器及适配器的待机功耗改善现况及发展进行介绍。
无所不在的待机功耗

实情(一)据估计，澳洲每年待机功耗的耗电成本是9亿5仟万美元，佔全年总耗电量的百分之10。
实情(二)全世界笔记型电脑的待机总耗电量是多少呢？假设每位笔记型电脑的使用者一年365日均将适配器插在电源插座上不拔下，全年将损耗8亿7,600万度的电，也就是43亿台币。备註：根据法规要求笔记型电脑耗电量需小於0.5瓦。
实情 (三)全世界手机的待机总耗电量是多少呢？假设每台手机的使用者一年365日均将适配器插在电源插座上不拔下，那麼全年将损耗39亿4,200万度的电，也就是197亿1,000万台币。备註：目前较流通於市面的手机其平均耗电量约0.3瓦。

手机充电器的待机功耗法规

       制定手机充电器待机功耗相关规定的单位很多，法规修文也不一而足，大部分更是属於良心劝说并无强制性。欧盟委员会的整合性產品策略(IPP)计画提出希望手机製造商能将空载待机功耗控制在30毫瓦以下。根据此一愿景，世界五大手机制造商自发性地提出「手机设备充电器效能分级制度」，此一制度也提供了一个让消费者轻易区分出最节能的充电器產品的参考。目前採用此分级制度的產品包含诺基亚、三星、索尼爱立信、摩托罗拉以及LG当前销售的所有充电器机型。依充电器待机耗能的表现被划分效率最高的五星级到最耗能的零星级。


适配器的待机功耗法规─能源之星

谈到节能就一定要提到「能源之星」对於单组输出适配器的诸多要求，其中之一即是针对空载待机功耗的规定。当最大输出功耗為50瓦以下时，其空载待机功耗需≦0.3瓦；如果最大输出功耗是介於50~250瓦之间时，其空载待机功耗需≦0.5瓦。该项法规已於2008年11月1日生效。但其实目前实务上适配器的待机节能表现已远远超越能源之星此项要求了，例如最大输出功率50项的适配器，其空载待机功耗已可低於0.1瓦。

欧盟最新的电源相关產品之待机功耗要求─ERP lot 6


「能源之星」目前只针对适配器的空载待机功耗有明确规定，但对轻载或极轻载的输入功耗并无任何著墨，是以欧盟即针对此项不足提出ERP lot 6。其主要内容是要求极轻载时的输入功耗需小於0.5瓦，通常极轻载本身的功耗约為0.25瓦(依製造商不同而略有些微差异)。这项法规虽也不具强制性但已确定将於2013年1月份正式採用 ，大部分的电源供应商也努力希望能在2012年上半年提出符合该法规的因应方案。

降低手机和行动装置适配器待机功耗的挑战

       大部分的电源IC供应商都知道许多降低空载及轻载时输入功耗的方法，比如，降低开关的频率、使用跳频(cycle skipping)或使用丛式降频(burst mode)，但是对於回授电路及电源IC本身的功耗并无很大的进展。通常他们都受限於IC的敏感度及最低操作电流，例如，5瓦充电器的空载待机功耗很难做到低於100毫瓦，更遑论低於30毫瓦。其困难点如下：
1.大部分电源IC的供应电流约≧1毫安培，所以，光电源IC本身就至少耗损30~50毫瓦。
2.光藕合器需耗损15毫瓦以上。
3.回授回路可能约需耗损20~30毫瓦，否则电源IC将无法正确侦测输出端的实际状况。
4.原边反馈的假负载可能耗损10毫瓦以上。

减少待机功耗及提高功率的解决之道

轻载时的开关损失会高於导通损失(conduction losses)，故若能儘量降低开关损失是很有效率的作法


图中各缩写的定义如下：
CVB : constant voltage with burst mode
CVC: constant voltage with current mode
CVF: constant voltage with frequency mode
CP : constant power
CCF: constant current with frequency mode
CCC: constant current with current mode
线性降频、跳频及丛式降频也都经常被採用。图中即為使用恩智浦 TEA 1738来节能的典型实例：

另一款恩智浦提出的充电器节能解决方案TEA1721及TEA1723，亦是箇中经典代表。此两款IC充份运用了线性降频及丛式降频来降低中载及轻载时的耗电量。其重要工作模式如下：
─ 其丛式降频的频率可经由不同的料号设定為400Hz ~1850Hz，所以5瓦充电器的空载功耗将可低於10毫瓦。
─ 当负载低於5%的满载时，丛式降频将被啟动，而且因為其產生的开关频率小於3KHz，已超过一般人耳听力的范围，所以也不会有噪音问题。
─ 其它时候的操作频率会高於22.5KHzIn、低於51.5KHz，所以一样能达到节能及减少噪音的目标，其详细操作模式如图所示：



至於回授回路的功率消耗要如何改善呢？一般的作法是加大回授回路上电阻的欧姆值以降低回授回路的电流量。但是许多的电源IC却因无法侦测相对较低的回授回路电流量，导致此部分的功耗无法下降。另外假如有用到原边反馈较灵敏的IC亦可因此用较低的假负载来达成定电压的需求。目前业界仅有少数拥有特殊製程的电源IC供应商有能力开发出可用较低回授电流的电源控制IC，例如恩智浦的TEA175X、 TEA173x及TEA172x这3组產品系列，

还有一项功耗在空载时不能忽视，那就是电源控制IC 本身。一般20瓦到65瓦适配器的电源控制IC最低功耗超过30~50毫瓦的情况时有所闻，主要原因是IC本身 的最低操作电流即很难低於2~1.5毫安，当乘上操作电压(15~20V)后，IC的最低功耗势必超过30~50毫瓦。恩智浦半导体即针对20瓦到65瓦适配器电源控制IC，推出操作电流极低「Green Chip」TEA173x 电源IC系列，其操作电流可降低至0.5毫安，所以其IC最低待机功耗可随之减少至10毫瓦。

恩智浦另一著名的充电器电源IC「Green Chip SPF」 TEA172x 系列，它集成了700伏电压的MOSFET，适用原边反馈，其待机最低操作电流可低极低的境界--0.1毫安，因此其IC的最低待机功耗更可进一步降至3毫瓦，对於想达到「5颗星」的充电器而言，此等表现的可贵性不言而喻。

恩智浦的「Green Chip」TEA1721AT 甚至可使5瓦充电器的空载功耗降至5毫瓦。「Green Chip」TEA172x和TEA173x系列均使用了恩智浦自有的SOI(SilICon On Isolator)製程， SOI 製程有极低的漏电流可设计出极低的操作电流IC，如此一来，不但IC本身很 省电 ，而且能实现极低的回授电流和较小的假负载功耗(TEA172x)或用较小功率的光藕合器。

在SOI製程的基本设计裡，IC中的每一个电晶体均用二氧化硅严密包覆，才能创造出漏电流极低的绿色晶片。此外，SOI製程还拥有以下特性：1.高反应保护速度 　2.不敏感所以不易锁死　3.温度依存度低，设计电源IC变的容易　4.不易受IC 内部杂讯干扰　5.宽广的Vcc。

使用恩智浦「GreenChip」TEA1733反驰式架构的65瓦(19.5V输出)适配器线路方块示意图，TEA1733在空载时只需要10毫瓦；在230伏输入时的空载总功耗也只要84毫瓦。

上图中更可清楚显示一个5瓦充电器，採用了恩智浦「GreenChip SPF」系列之TEA1721A，在其最小IC耗电量不到3毫瓦下，输入电压為110Vac时，该充电器的空载待机功耗甚至可控制在5毫瓦以下。

当地球环境已因為人类活动而遭逢巨大破坏的此时，末端消费者已愈来愈重视商品的环保性，「绿色商机」更是各行各业绝不能缺度的必争之地。手机及行动装置製造商若愿採用可更有效节能的电源IC，如恩智浦半导体研製成功的「Green Chip」系列，不只直接实践人类对地球许下三个承诺之一：保护环境，对企业形象更有无价的加分作用，实在应加以支持。(本图文由台湾恩智浦半导体提供，作者為恩智浦半导体资深產品市场经理张锡亮，陈毅斌整理)