【導讀】根據歐盟（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省功耗。
根據歐盟（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省功耗。
新生態設計要求的覆蓋范圍廣泛
新的歐盟法規 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：它將通過規范各種家用產品和用于家庭環境的辦公設備的功耗來實現。
該法規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，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境。
法規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設計法規覆蓋的產品除外）、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。如果狀態或信息顯示處于活動狀態，大多數產品的限制會提高至 0.8 W。
對于處于聯網待機狀態的產品，適用更高的限制。聯網待機是指設備能夠通過網絡連接的遠程啟動觸發器恢復某項功能。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）在聯網待機狀態下的功耗不得超過 8 W。對于非 HiNA 產品，聯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 號法規的策略應考慮整個系統的功耗，包括控制、接口和傳感等功能。但節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 就會持續消耗電流
這種電路配置幾乎不可能符合新的待機功耗規定：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，377 mW 的功耗就會一直持續。
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。在正常運行期間，當存在交流電壓時，MOSFET 處于關閉狀態，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 可以實現巨大的節能效果：測試結果發布在 HF81 的數據手冊中，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 法規的要求。
此外，Power Integrations 和恩智浦規定其 IC 的功耗低于 5 mW。
圖 3：將傳統的X電容器放電電路替換為基于Monolithic Power Systems的HF81的電路實現的節能效果（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 L4985，一款在連續傳導模式下運行的 PFC 控制器
這些供應商正在創新產品設計，以在待機模式下節省更多電能。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。
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，工作在非連續傳導模式下），因此在 230 V AC電壓下可實現 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，其中在連續傳導模式下運行的 L4985A PFC 控制器在 230 V AC下實現了低于 150 mW 的空載功率。
元器件市場對待機法規合規要求的響應
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規定的待機和關閉模式功耗的嚴格限制。
（作者：Vito Prezioso，電源專家現場應用工程師（南歐），富昌電子）
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