【導讀】根據(jù)歐盟（EU）的研究，2015 年家用設備在關閉或待機模式下的年能耗估計為 59.4 TWh。這種電能浪費導致了 2380 萬噸二氧化碳當量的溫室氣體的排放。現(xiàn)在，設備制造商必須設計產品以將待機功耗控制在嚴格的限制范圍內。但這并不總是一項復雜而昂貴的工作：正如本文所解釋，在AC-DC電源轉換器中添加一個簡單的 IC 就可以在設備插入時大幅節(jié)省功耗。
根據(jù)歐盟（EU）的研究，2015 年家用設備在關閉或待機模式下的年能耗估計為 59.4 TWh。這種電能浪費導致了 2380 萬噸二氧化碳當量的溫室氣體的排放。
現(xiàn)在，設備制造商必須設計產品以將待機功耗控制在嚴格的限制范圍內。但這并不總是一項復雜而昂貴的工作：正如本文所解釋，在AC-DC電源轉換器中添加一個簡單的 IC 就可以在設備插入時大幅節(jié)省功耗。
新生態(tài)設計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：目標是將歐洲的年度能源消耗減少 4 TWh。這是一個雄心勃勃的目標：它將通過規(guī)范各種家用產品和用于家庭環(huán)境的辦公設備的功耗來實現(xiàn)。
該法規(guī)適用于內置電源的產品。配備低壓外部電源的產品目前不包含在其范圍內，但制造商應該預計到將來也會被要求遵守該法規(guī)，因為歐盟委員會可能希望為制造商之間的競爭提供公平的競爭環(huán)境。
法規(guī)中列出的設備類型包括廚房設備（例如烤面包機和微波爐）、白色家電、IT 設備（筆記本電腦等受特定生態(tài)設計法規(guī)覆蓋的產品除外）、視聽設備、玩具、運動器材以及包含電機的產品，如電動家具和床，以及電動百葉窗。完整列表可在歐盟 EUR-Lex 法律網站上找到。
能耗限制非常嚴格：關閉模式下最大為 0.5 W，兩年后將降至 0.3 W。待機模式的限制各不相同。如果設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狀態(tài)，大多數(shù)產品的限制會提高至 0.8 W。
對于處于聯(lián)網待機狀態(tài)的產品，適用更高的限制。聯(lián)網待機是指設備能夠通過網絡連接的遠程啟動觸發(fā)器恢復某項功能。被歸類為具有高網絡可用性（HiNA）功能的產品（例如路由器和網關）在聯(lián)網待機狀態(tài)下的功耗不得超過 8 W。對于非 HiNA 產品，聯(lián)網待機功耗應限制為 2 W。
解決高待機功耗的經濟而簡單的方法
確保符合 2023/826 號法規(guī)的策略應考慮整個系統(tǒng)的功耗，包括控制、接口和傳感等功能。但節(jié)能的重要途徑無疑是電源電路，而許多 OEM 降低待機功耗的最快和最簡單的方法之一是消除通過 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設備的電源中，以符合 IEC 60335-1 標準，這是一項針對這些產品的安全標準，規(guī)定電源的 X 電容器需要在設備關機后一秒鐘內放電至 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換器的數(shù)百納法拉到高功率轉換器的幾微法拉不等。
舉例來說，對于容差為 ±20% 且標稱電容為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%。要在一秒鐘內將電容放電至 34 V，需要一個 184 kΩ 的電阻。該泄放電阻將耗散 377 mW的功率。
圖 1：在這個典型的 EMI 濾波器中，只要設備插入電源，泄放電阻 R2 就會持續(xù)消耗電流
這種電路配置幾乎不可能符合新的待機功耗規(guī)定：只要設備插入電源插座，無論設備處于活動、靜止還是關閉狀態(tài)，377 mW 的功耗就會一直持續(xù)。
幸運的是，除非在 X 電容器需要放電時，很容易添加一個簡單的集成電路來停止通過泄放電阻的功耗。例如，Power Integrations 的 CAPZero-2 或 CAPZero-3、Monolithic Power Systems 的 HF81 以及恩智浦半導體的 TEA1708T。
這些組件的設計都類似。它們由帶有集成驅動器的 MOSFET、電壓感應和其他電路組成，并與泄放電阻串聯(lián)。在正常運行期間，當存在交流電壓時，MOSFET 處于關閉狀態(tài)，因此泄放電阻器斷開，沒有電流流過。當設備被拔掉、交流電壓被移除時，MOSFET 會開啟，將電阻器引入電路，從而放電 X 電容器。
圖 2：典型的高壓電機控制板，顯示了 CAPZero-2 X 電容器放電電路
Monolithic Power Systems 進行的測試表明，使用 HF81 可以實現(xiàn)巨大的節(jié)能效果：測試結果發(fā)布在 HF81 的數(shù)據(jù)手冊中，如圖 3 所示。對于上文中 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的電路實現(xiàn)的節(jié)能效果（來源：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現(xiàn)有電源設計的經濟且簡單的改進，幾乎無需更改BOM或電路板布局。
但是，對于新設計，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 功率級的組合控制器
· 恩智浦的 TEA2017，一款具有多模式 PFC 和 LLC 功率級的組合控制器
· 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 的準諧振 PFC 控制器
· 意法半導體的 L4985，一款在連續(xù)傳導模式下運行的 PFC 控制器
這些供應商正在創(chuàng)新產品設計，以在待機模式下節(jié)省更多電能。例如，當負載低于某個閾值時，許多產品會以突發(fā)模式工作，從而使電源控制和開關電路間歇性禁用。
新產品可以實現(xiàn)顯著的改進：與前代產品 TEA2016 相比，恩智浦的 TEA2017 降低了低負載和靜態(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）在低負載下功耗更低
恩智浦評估板中采用了TEA2017DK1003，這是一款 600 W 離線AC-DC轉換器，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計中心開發(fā)的新 Lightning AC-DC轉換器板提供主要的電源控制功能。有關 Lightning 板的技術信息可在 www.my-boardclub.com 上找到，該板提供 42 V DC輸出，支持高達 240 W 的負載，工程師可以申請獲取該評估板。
Power Integrations、安森美和意法半導體也提供評估板，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 評估板，采用了 PFS5178F（一款帶 GaN FET 的準諧振 PFC 控制器，工作在非連續(xù)傳導模式下），因此在 230 V AC電壓下可實現(xiàn) 120 mW 的空載功耗。
安森美提供了 NCP13994MM360WGEVB，這是一款 360 W 評估板，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，意法半導體提供了 400 W 評估板 EVL400W-80PL，其中在連續(xù)傳導模式下運行的 L4985A PFC 控制器在 230 V AC下實現(xiàn)了低于 150 mW 的空載功率。
元器件市場對待機法規(guī)合規(guī)要求的響應
本文介紹的 TEA2017 和其他新改進產品表明，元器件市場已準備好為電源設計人員提供各種解決方案，以應對最新歐盟法規(guī)規(guī)定的待機和關閉模式功耗的嚴格限制。
（作者：Vito Prezioso，電源專家現(xiàn)場應用工程師（南歐），富昌電子）
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