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SMPS提供了实现更高效率的方法

安森美半导体公司 LAURENT JENCK?? 2010年07月19日 ?? 收藏0

  据估计,仅美国一个国家,正在使用的电子产品数量就达到25亿件,而每年又有4~5亿个新电源售出,所以改善电源效率对于能源效率达标、降低对全球能源的压力以及缓解技术应用对环境的不利影响都是至关重要的。但是,由于电源的安装启用或选择通常处于整个产品开发过程的后期,所以优化目标应用设计的时间很短,采购成本方面的选择余地也不大。由于技术的不断进步以及推荐性和强制性标准的推出,电源的能效正在不断提高。

  需求

  在经济增长、技术发展突飞猛进以及人口不断扩张等因素的共同作用下,2005-2030年之间,世界能源消耗增长预计将高达50%,这就相当于从2005年的462×1015BTU猛增至2030年的695×1015BTU(来源:美国能源信息管理局)。

  数量如此巨大的能源消耗超出了自然界的承受范围,并且会对环境以及全球居民的生活产生越来越大的影响,因为对于能量需求增加的传统解决方法是通过建造更多以煤炭、天然气、核能和石油为燃料的电厂来增加供电量。尽管针对水电、生物燃料、风能和太阳能等形式的可再生能源的研究开发和应用已经取得了巨大进展,但我们对于化石燃料的依赖性意味着我们必须要大幅提高能效;这体现在两个方面:我们使用电气产品的方式以及它们固有的能源效率。

  倡议活动

  根据美国节能经济委员会(ACEEE)的分析,在美国,预计节能倡议活动可以将能源消费降低10.6×1015BTU,大致相当于美国2020年预计能源使用量的10%。

  像“能源之星”这样的倡议活动已经取得了很大成功,目前用于对大约60种不同类别的达标产品进行标识。世界许多国家都在通过获得“能源之星”的认证来协调能源效率指导方针。到目前为止,欧洲、中国和澳大利亚都已签署协议认可这项倡议活动。

  一些政府推行强制性标准,采取了更强硬的立场。考虑到今后的环境挑战,这种做法有望成为大势所趋。

  有些国家逐步落实更加严格的标准,以促进持续的改善。例如,日本的“领跑者”计划首先确定出市场上各类产品中能效最高的产品,然后要求所有竞争品牌在4?6年内提高产品能效。没有达到能效标准的公司将面临经济处罚。世界各国制定的所有相关规定,无论是强制性的还是推荐性的,都将电源在待机模式和使用模式中导致的能源浪费作为重点改善目标。

  电源的类型和选择

  电子设备的电源可以大致分为线性电源和开关电源(SMPS):线性电源的设计非常简单,而SMPS则更加复杂。线性电源的典型效率值在40%~55%之间,而SMPS则可以实现高得多的效率标称值,在60%~95%之间。

  如果仅考虑能效方面的对比,同时设计人员希望使他们开发的新产品达到推荐性或者强制性的标准,显然SMPS是最好的选择。不过,另外两项因素可能会影响到电源的选用。

  与线性电源相比,SMPS更为复杂,这通常意味着物料费用也更高。同时,在某些布局中所使用的更先进、效率更高而容差更小的元件往往要比普通性能元件更为昂贵。线性电源的设计更为简单,但它要使用像铁芯变压器这样的元件,需要大量的铜制线圈——这可能会影响到成本。总的来说,SMPS所增加的成本是有限的,有时要低于效率低的线性电源的增量成本。

  为了促进更为节能的SMPS方法的广泛应用,要使其成本接近或低于线性电源的成本,这一点十分重要。这是因为,当用户最终面对两款具有相同性能的产品时,他们往往会选择成本更低的那一款。同时消费者的环境意识不断增强,并开始考虑总体购置成本——即初始购置成本以及产品在整个生命周期中的能源成本——这种概念已经在慢慢深入人心。

  线性电源通常比SMPS更大、更重。相对于将电源功能集成到产品外壳之中的设计而言,外部电源的设计方式受到这一问题的影响较小。在电源功能的集成设计方式中,线性电源不仅占用了宝贵的空间,而且因为其较低的效率,它所产生的大量废热必须进行散热管理,以便确保设备具有较长的使用寿命和可靠性。如果目标设备希望设计成便携式的,那么较重的电源也会带来问题。

  SMPS高级布局

  效率更高、体积更小而重量更轻的SMPS代表了技术发展的潮流。在先进的集成式AC/DC控制器和整流器设备(如由安森美半导体等公司提供的产品)的支持下,就可以实现支持低成本、高效率的SMPS设计的新布局。

  许多与SMPS相关的损耗都与开关过程有关。像半电桥和全电桥这样的软开关技术和布局可以克服这些损耗。除了改善效率之外,这些布局还帮助提高电源转换器密度(以W/in.3为单位)——这是许多新型产品设计的关键需求。以前只用于大功率应用(例如,500W或1kW)的布局,由于它们可以对效率和电源密度产生影响,目前正逐步被中等功率或小功率应用(例如,100W)所采纳。

  参考设计

  像安森美半导体的“绿点”(见图1)这样的参考设计为制造商提供了“交钥匙”解决方案,它能够达到或超出许多应用中的最低能效标准,例如台式计算机、机顶盒、笔记本AC/DC适配器和液晶电视。通过提供简化高能效产品设计的工具,就能够加快大多数电子产品的能效水平提升(达到80%或90%这个范围)进程。据估计,采用“绿点”这样的参考设计方法,可以使家用产品的效率提升20%,而办公室设备产品的效率可提高15%。

安森美半导体的

图1 安森美半导体的“绿点”参考设计

  高效率的SMPS可以显著增加电子设备的效率。由于SMPS和线性电源的成本大致相同,这为显著提高众多类型产品的效率带来了巨大机会。这将会帮助设备生产商达到甚至超出推荐性的能效标准以及逐步普及的强制性能效标准。电子产品装置使用量的攀升和能源可持续性之间存在矛盾,这意味着我们必须要谋求变化,而显著改善电源效率将在实现这一目标的过程中发挥重要作用。


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