提供电池充电AC-DC电源应用

正当您以为把握住了外部电源能效标准时，另一套能效标准又横空出世。 昨天的标准已然不再足够好，制造商们不能就此自满。

满足能效标准并不是一次性可以解决的。 出于履行旨在缓解气候变化的全球协议需要，各国政府出台了众多法规，逐步提升外部电源等产品的最低能效要求。 设备制造商有责任不仅达到这些标准，还要保持竞争优势，尤其是当他们希望确保其产品覆盖尽可能广泛的市场时。

目前最苛刻的强制性要求是美国能源部 (DoE) 规定的 VI 级标准，该标准自 2016 年 2 月起生效，适用于供应到美国国内市场的产品。 而且，目前欧盟“行为准则”要求将作为新的标准，在未来两年内成为欧盟的强制性生态设计规则。 初始部分与 VI 级标准大体一致，但下一级设定了更严格的目标。

包括外部电源在内的设备制造商通常希望能够灵活地向全球市场供应其产品，而不必担心运往美国、欧洲或其他国家的货物是否符合这些国家的相关法规。 因此，领先的外部电源制造商致力于确保其产品在强制性合规要求截止日期之前就达到即将生效的新标准。

监管的必要性

加州大学伯克利分校实验室在 1998 年进行的一项研究估计，美国居民用电消耗中多达 5% 是由于家用电器待机产生的。 这大约相当于每年超过 30 亿美元的能源成本。 按照美国能源部 2004 年报告的 12.9 亿兆瓦时 (MWh) 居民用电消耗，这一百分比的能源浪费总量达到 6400 万兆瓦时，相当于 18 座典型发电厂的产量，这一数据实在是太惊人。

早期提高家用电器能效的倡议是自愿性的，包括最初针对 IT 行业的“能源之星”计划，但随后包含了消费产品和更广泛的商业市场。 尽管如此，直到 2004 年加利福尼亚州能源委员会才通过了首个实施能效标准的法规。 不久以后，在美国、欧洲以及世界其他地区纷纷仿效出台了同等的标准，如图 1 时间线图所示，其中还展示了为使法规与识别电源能效水平的国际标识协议相一致而所做的努力。

图 1：从 2004 到最新的 2016 美国 DoE VI 级法规以及即将实施的欧盟 CoC 和生态设计要求的能效标准演变。 （图片由 CUI Inc. 提供）

外部电源 (EPS) 在 20 世纪 90 年代初估计有超过 10 亿个，其能效低至 50％，因浪费能源而臭名昭著，这主要是由于当时采用的是线性技术。 更糟的是，当终端设备关闭或断开连接时，它们还会继续消耗功率。 外部电源的增加消耗预计要占到总能量消耗的 30%，且有增无减。 因此，之后立法的很多重点放在了空载功耗和美国政府 2007 年实施的旨在避免大约 2 亿公吨二氧化碳排放（相当于近 4000 万辆汽车的温室气体排放量）的标准之上。

现今的监管状态

原始设备制造商 (OEM) 面临的挑战是跟上不断演变的能效规则的步伐，并理解其中哪些为特定地区的强制性法律规定。 目前加拿大强制执行 IV 级标准，在澳大利亚这仍旧是自愿性的。 欧盟要求更苛刻的 V 级标准，而在美国自 2016 年 2 月开始法律要求为 VI 级。 通常，对于希望服务于全球市场的 OEM，避免多个产品变型、库存和物流问题复杂性的最佳策略是确保其产品符合最新、最严格的标准。 目前，就强制性合规要求而言，意味着必须达到 VI 级标准，然而如下一部分所述，更严格的规则即将发布。

正如人们所预料的，与 IV 级和 V 级相比，VI 级对 EPS 必须实现的平均能效和空载功耗实施了更为严格的限制。 因此，举例来说，额定功率输出在 49 W 到 250 W 之间的电源现在能效需要相应从 85% 和 87% 提高至高于 88%，在空载条件下的功耗需要相应从 750 mW 和 500 mW 降低至低于 210 mW。 这些要求详见下表（图 2）。

而且，VI 级规范现在覆盖 AC-AC 电源，包括更高功率的 AC-DC 转换器类别 (>250 W)，并区分出 1 W 及以下的电源。 此外，还加入了现在分类为基本电压电源和低压电源（铭牌输出电压低于 6 V 且输出电流 ≥550 mA 的电源）之间的区分。 并且，首次在 DoE 标准中对多路输出电源进行了规定。 其对直接和非直接操作之间也进行了区分，因此在该法规中仅包括无需电池辅助在最终产品中工作的直接操作电源，而被定义为非电池充电器电源、在没有电池辅助情况下无法工作的非直接操作 EPS，仍受先前的 EISA2007 能效法规的约束。

除不包括非直接操作电源以外，VI 级还定义了 EPS 产品的一些特定豁免条款。 值得注意的是，这些豁免条件包括：电源须由联邦食品药品监督管理局列入并认定为医疗器械的医疗应用；额定输出电压 < 3 V 且输出电流 ≥ 1 A，为完全或主要由电机驱动的产品提供电池充电的直接操作 AC-DC 电源。

对于 VI 级合规要求，以有源模式操作的 EPS 需要达到在规定负载水平 25%、50%、75% 和 100% 时获取的四个能效测量值的平均值所确定的最低能效。 总是较低的负载导致较差的能效，并且为了满足更严格的 VI 级限制，EPS 设计人员需要考虑提升低负载能效的方法并重新审视所采用的电路拓扑结构。 因此，在更高电压下操作的更高功率输出的电源可以继续使用 LLC 谐振变换器，并且已制定的反激式设计对于更适中的功率输出电源可能也适合，但是对于需要提供更高输出电流的较低电压电源，则需要不同的解决方案。 例如，将次级电路设计从简单的二极管整流变为同步整流，有助于提高平均能效和空载性能，但需要次级侧控制器来接通和断开同步 FET。

实现 VI 级合规要求的另一种方法就是像制造商 CUI 一样，降低电源的开关频率。 如在 V 级产品中一样，控制 IC 通常以 65 kHz 的频率工作，但在轻载和空载条件下将其降低到 22 kHz，可大大降低功率损耗并提高能效，如图 3 所示。

图 3：降低轻载和空载条件下的开关频率有助于符合 VI 级平均能效规范。

全球化阶段与协调

如前所述，从图 1 中也可以看出，全球能效法规的实施和采纳相当分化，并掺杂着适用于不同地理区域的自愿性和强制性法规。 不幸的是，尽管政府及其他机构心怀良好意愿，希望各种标准协调一致，然而仍旧需由电源制造商和 OEM 来确保其产品的合规性。

我们所看到的过程并非协调一致的，似乎更像是各国或各地区试图赶上并超越其邻国的一场竞相提高的游戏。 欧盟是其 EPS 能效行为准则 (CoC) 规则的最新挑战者。 其 2013 年 10 月发布并自 2014 年 1 月起生效的基于自愿原则的 1 级标准采用了现有的生态设计指令，该指令使欧盟与 2011 年的 V 级标准协调一致，并将其要求提高到与 DoE VI 级标准大体相当。 CoC 1 级标准当前正在接受有关部门的审查，预计将于 2017 年 1 月前作为生态设计规则强制实施。 接下来是欧盟的 CoC 2 级标准，它超越了 VI 级标准，自 2016 年 1 月起生效并基于自愿原则实施，并且也在接受审查，可能于 2018 年 1 月作为生态设计规则强制实施。

我们再次了解了一下 VI 级和 CoC 1 级之间的细微差别，然后你就会体会到 2 级将会如何的严格。从制造商的角度来看，这是生死攸关的，特别是在他们的目标是通过满足最严格的规范来实现对所有这些标准的合规时。

与 VI 级相比，CoC 1 级对基本电压外部电源的空载功耗限制不是太严格，这一点可能令人惊讶。 对于额定值为 0.3 W 至 49 W 的电源，适用的最大值为 150 mW，对于 49 W 至 250 W 的电源，最大值为 250 mW，相对于同等 VI 级设备，其相应限值为 100 mW 和 210 mW。 2 级空载功耗限制的设定低于 VI 级，为 75 mW (0.3 W < Pout ≤ 49 W) 和 150 mW (49 W < Pout ≤ 250 W)，这一点并不那么让人惊讶。

较明显的差别在于 CoC 规则引入了 10% 全额定输出电流时的有源模式最低能效。 这是 VI 级标准用于测量能效的四点平均法之外的补充，正如我们前面所指出的，它提出了更大的挑战。 与 VI 级相类似，在能效测量方面，CoC 规则对 AC-DC 和 AC-AC 电源的处理相同，但基本电压和低压电源之间存在区别，具有不同限制。 与空载标准一样，我们看到 CoC 1 级平均能效要求的严格程度略低于 VI 级，而 2 级的要求则更苛刻一些。

确保全球合规性的解决方案

原始设备制造商有责任确保其所生产的任何产品均符合相关能效法律规定，包括在任何地区销售的外部电源。 显然，EPS 符合最严格的现行法规可避免对不同地理区域市场采取不同产品配置的复杂性。 对于购买电源与其最终产品捆绑销售的 OEM 来说，其好处是，他们能够更容易地选择满足最新、最苛刻的能效标准的供应商。

CUI 是在电源设计领域处于领先地位的技术公司。 其在 VI 级标准要求成为强制性要求的一年多以前就推出了符合这些标准要求的外部电源。 这些产品覆盖 5 W 到 150 W 的电源适配器，并包括如图 4 所示的桌面式、壁插式和 USB 产品。 CUI 的目标旨在“保持领先于快速演变的全球能效法规，确保客户设计能在更严格的能效规则成为法律要求时保持合规性”，因此我们可以合理期望很快看到符合 CoC 标准的产品公布于众。 我们还可以期望通过诸如 Digi-Key 这样领先的分销商轻松获得这些产品。

图 4：CUI SWI12-E 12 W 壁插式系列