【導(dǎo)讀】根據(jù)歐盟（EU）的研究，2015 年家用設(shè)備在關(guān)閉或待機(jī)模式下的年能耗估計(jì)為 59.4 TWh。這種電能浪費(fèi)導(dǎo)致了 2380 萬(wàn)噸二氧化碳當(dāng)量的溫室氣體的排放。現(xiàn)在，設(shè)備制造商必須設(shè)計(jì)產(chǎn)品以將待機(jī)功耗控制在嚴(yán)格的限制范圍內(nèi)。但這并不總是一項(xiàng)復(fù)雜而昂貴的工作：正如本文所解釋，在AC-DC電源轉(zhuǎn)換器中添加一個(gè)簡(jiǎn)單的 IC 就可以在設(shè)備插入時(shí)大幅節(jié)省功耗。
根據(jù)歐盟（EU）的研究，2015 年家用設(shè)備在關(guān)閉或待機(jī)模式下的年能耗估計(jì)為 59.4 TWh。這種電能浪費(fèi)導(dǎo)致了 2380 萬(wàn)噸二氧化碳當(dāng)量的溫室氣體的排放。
現(xiàn)在，設(shè)備制造商必須設(shè)計(jì)產(chǎn)品以將待機(jī)功耗控制在嚴(yán)格的限制范圍內(nèi)。但這并不總是一項(xiàng)復(fù)雜而昂貴的工作：正如本文所解釋，在AC-DC電源轉(zhuǎn)換器中添加一個(gè)簡(jiǎn)單的 IC 就可以在設(shè)備插入時(shí)大幅節(jié)省功耗。
新生態(tài)設(shè)計(jì)要求的覆蓋范圍廣泛
新的歐盟法規(guī) 2023/826 將于 2025 年 5 月 9 日生效：目標(biāo)是將歐洲的年度能源消耗減少 4 TWh。這是一個(gè)雄心勃勃的目標(biāo)：它將通過(guò)規(guī)范各種家用產(chǎn)品和用于家庭環(huán)境的辦公設(shè)備的功耗來(lái)實(shí)現(xiàn)。
該法規(guī)適用于內(nèi)置電源的產(chǎn)品。配備低壓外部電源的產(chǎn)品目前不包含在其范圍內(nèi)，但制造商應(yīng)該預(yù)計(jì)到將來(lái)也會(huì)被要求遵守該法規(guī)，因?yàn)闅W盟委員會(huì)可能希望為制造商之間的競(jìng)爭(zhēng)提供公平的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境。
法規(guī)中列出的設(shè)備類型包括廚房設(shè)備（例如烤面包機(jī)和微波爐）、白色家電、IT 設(shè)備（筆記本電腦等受特定生態(tài)設(shè)計(jì)法規(guī)覆蓋的產(chǎn)品除外）、視聽設(shè)備、玩具、運(yùn)動(dòng)器材以及包含電機(jī)的產(chǎn)品，如電動(dòng)家具和床，以及電動(dòng)百葉窗。完整列表可在歐盟 EUR-Lex 法律網(wǎng)站上找到。
能耗限制非常嚴(yán)格：關(guān)閉模式下最大為 0.5 W，兩年后將降至 0.3 W。待機(jī)模式的限制各不相同。如果設(shè)備僅保留重新激活功能和指示燈，限制為 0.5 W。如果狀態(tài)或信息顯示處于活動(dòng)狀態(tài)，大多數(shù)產(chǎn)品的限制會(huì)提高至 0.8 W。
對(duì)于處于聯(lián)網(wǎng)待機(jī)狀態(tài)的產(chǎn)品，適用更高的限制。聯(lián)網(wǎng)待機(jī)是指設(shè)備能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接的遠(yuǎn)程啟動(dòng)觸發(fā)器恢復(fù)某項(xiàng)功能。被歸類為具有高網(wǎng)絡(luò)可用性（HiNA）功能的產(chǎn)品（例如路由器和網(wǎng)關(guān)）在聯(lián)網(wǎng)待機(jī)狀態(tài)下的功耗不得超過(guò) 8 W。對(duì)于非 HiNA 產(chǎn)品，聯(lián)網(wǎng)待機(jī)功耗應(yīng)限制為 2 W。
解決高待機(jī)功耗的經(jīng)濟(jì)而簡(jiǎn)單的方法
確保符合 2023/826 號(hào)法規(guī)的策略應(yīng)考慮整個(gè)系統(tǒng)的功耗，包括控制、接口和傳感等功能。但節(jié)能的重要途徑無(wú)疑是電源電路，而許多 OEM 降低待機(jī)功耗的最快和最簡(jiǎn)單的方法之一是消除通過(guò) EMI 濾波器的 X 電容泄放電阻的持續(xù)功耗。
這些電阻器存在于許多家用電器和消費(fèi)設(shè)備的電源中，以符合 IEC 60335-1 標(biāo)準(zhǔn)，這是一項(xiàng)針對(duì)這些產(chǎn)品的安全標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定電源的 X 電容器需要在設(shè)備關(guān)機(jī)后一秒鐘內(nèi)放電至 34 V 以下。
圖 1 展示了典型的 EMI 濾波器。C1 和 C2 代表 X 電容；R2 確保在輸入電壓移除后 X 電容放電。X 電容的電容值范圍從低功率轉(zhuǎn)換器的數(shù)百納法拉到高功率轉(zhuǎn)換器的幾微法拉不等。
舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于容差為 ±20% 且標(biāo)稱電容為2.2 μF的電容，其最大電容為 2.64 μF。輸入電壓最高為 264 V ac，即 240 V ac +10%。要在一秒鐘內(nèi)將電容放電至 34 V，需要一個(gè) 184 kΩ 的電阻。該泄放電阻將耗散 377 mW的功率。
圖 1：在這個(gè)典型的 EMI 濾波器中，只要設(shè)備插入電源，泄放電阻 R2 就會(huì)持續(xù)消耗電流
這種電路配置幾乎不可能符合新的待機(jī)功耗規(guī)定：只要設(shè)備插入電源插座，無(wú)論設(shè)備處于活動(dòng)、靜止還是關(guān)閉狀態(tài)，377 mW 的功耗就會(huì)一直持續(xù)。
幸運(yùn)的是，除非在 X 電容器需要放電時(shí)，很容易添加一個(gè)簡(jiǎn)單的集成電路來(lái)停止通過(guò)泄放電阻的功耗。例如，Power Integrations 的 CAPZero-2 或 CAPZero-3、Monolithic Power Systems 的 HF81 以及恩智浦半導(dǎo)體的 TEA1708T。
這些組件的設(shè)計(jì)都類似。它們由帶有集成驅(qū)動(dòng)器的 MOSFET、電壓感應(yīng)和其他電路組成，并與泄放電阻串聯(lián)。在正常運(yùn)行期間，當(dāng)存在交流電壓時(shí)，MOSFET 處于關(guān)閉狀態(tài)，因此泄放電阻器斷開，沒(méi)有電流流過(guò)。當(dāng)設(shè)備被拔掉、交流電壓被移除時(shí)，MOSFET 會(huì)開啟，將電阻器引入電路，從而放電 X 電容器。
圖 2：典型的高壓電機(jī)控制板，顯示了 CAPZero-2 X 電容器放電電路
Monolithic Power Systems 進(jìn)行的測(cè)試表明，使用 HF81 可以實(shí)現(xiàn)巨大的節(jié)能效果：測(cè)試結(jié)果發(fā)布在 HF81 的數(shù)據(jù)手冊(cè)中，如圖 3 所示。對(duì)于上文中 2.2 μF 的 X 電容器示例，使用 HF81 節(jié)省的電能將使泄放電阻的功耗降至 200 mW 以下，低到足以符合 2023/826 法規(guī)的要求。
此外，Power Integrations 和恩智浦規(guī)定其 IC 的功耗低于 5 mW。
圖 3：將傳統(tǒng)的X電容器放電電路替換為基于Monolithic Power Systems的HF81的電路實(shí)現(xiàn)的節(jié)能效果（來(lái)源：Monolithic Power Systems）
圖 2 所示的解決方案提供了一種減少泄放電阻功耗的方法，這種方法可以作為對(duì)現(xiàn)有電源設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)且簡(jiǎn)單的改進(jìn)，幾乎無(wú)需更改BOM或電路板布局。
但是，對(duì)于新設(shè)計(jì)，OEM 可以選擇包含集成 X 電容放電電路的新一代電源控制器。例如：
· Monolithic Power Systems 的 HR1275，一款具有多模式 PFC 和 LLC 功率級(jí)的組合控制器
· 恩智浦的 TEA2017，一款具有多模式 PFC 和 LLC 功率級(jí)的組合控制器
· 安森美的 NCP1618，一款多模式 PFC 控制器
· Power Integrations 的 HiperPFS-5，一款帶有集成氮化鎵（GaN） FET 的準(zhǔn)諧振 PFC 控制器
· 意法半導(dǎo)體的 L4985，一款在連續(xù)傳導(dǎo)模式下運(yùn)行的 PFC 控制器
這些供應(yīng)商正在創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以在待機(jī)模式下節(jié)省更多電能。例如，當(dāng)負(fù)載低于某個(gè)閾值時(shí)，許多產(chǎn)品會(huì)以突發(fā)模式工作，從而使電源控制和開關(guān)電路間歇性禁用。
新產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)顯著的改進(jìn)：與前代產(chǎn)品 TEA2016 相比，恩智浦的 TEA2017 降低了低負(fù)載和靜態(tài)模式下的功耗，如圖 4 所示。
圖 4：效率圖顯示，與 TEA2016（粉色曲線）相比，恩智浦最新的 TEA2017 電源控制器（紅色曲線）在低負(fù)載下功耗更低
恩智浦評(píng)估板中采用了TEA2017DK1003，這是一款 600 W 離線AC-DC轉(zhuǎn)換器，輸出為 12 V， TEA2017 可使電源在 230 V AC輸入下將空載功耗降低至 0.11 W。TEA2017 還為富昌電子歐洲電源設(shè)計(jì)中心開發(fā)的新 Lightning AC-DC轉(zhuǎn)換器板提供主要的電源控制功能。有關(guān) Lightning 板的技術(shù)信息可在 www.my-boardclub.com 上找到，該板提供 42 V DC輸出，支持高達(dá) 240 W 的負(fù)載，工程師可以申請(qǐng)獲取該評(píng)估板。
Power Integrations、安森美和意法半導(dǎo)體也提供評(píng)估板，展示了集成 X 電容放電的控制器如何符合 2023/826 法規(guī)。
Power Integrations 提供 DER-672，這是一款 220 W 評(píng)估板，采用了 PFS5178F（一款帶 GaN FET 的準(zhǔn)諧振 PFC 控制器，工作在非連續(xù)傳導(dǎo)模式下），因此在 230 V AC電壓下可實(shí)現(xiàn) 120 mW 的空載功耗。
安森美提供了 NCP13994MM360WGEVB，這是一款 360 W 評(píng)估板，其中 NCP1618 多模式 PFC 控制器與最新的電流模式 LLC 控制器 NCP13994 配合使用。在 230 V AC下，NCP13994MM360WGEVB 的空載功耗為 100 mW。
此外，意法半導(dǎo)體提供了 400 W 評(píng)估板 EVL400W-80PL，其中在連續(xù)傳導(dǎo)模式下運(yùn)行的 L4985A PFC 控制器在 230 V AC下實(shí)現(xiàn)了低于 150 mW 的空載功率。
元器件市場(chǎng)對(duì)待機(jī)法規(guī)合規(guī)要求的響應(yīng)
本文介紹的 TEA2017 和其他新改進(jìn)產(chǎn)品表明，元器件市場(chǎng)已準(zhǔn)備好為電源設(shè)計(jì)人員提供各種解決方案，以應(yīng)對(duì)最新歐盟法規(guī)規(guī)定的待機(jī)和關(guān)閉模式功耗的嚴(yán)格限制。
（作者：Vito Prezioso，電源專家現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師（南歐），富昌電子）
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