從為平板電腦或智能手機(jī)電池充電到為膝上型電腦或家用路由器供電，電源適配器長(zhǎng)期以來(lái)都是人們?nèi)粘Ｉ畹谋匾M成部分。對(duì)于將電源適配器與其產(chǎn)品搭配到一起的消費(fèi)電子原設(shè)備制造商（OEM）而言，需要因應(yīng)兩項(xiàng)關(guān)鍵推動(dòng)因素，即確保提供高能效等級(jí)并滿足安全規(guī)范，同時(shí)還需提供緊湊的外形因數(shù)。近年來(lái)，由于結(jié)合了政府法規(guī)及美國(guó)“能源之星”、歐盟生態(tài)設(shè)計(jì)指令及中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院（CNIS）等能效項(xiàng)目，業(yè)界非常注重通過(guò)減小待機(jī)模式下的使用的電能來(lái)降低適配器的總體能耗等級(jí)。本文將探討推動(dòng)最新要求的新興技術(shù)趨勢(shì)，包括要求減少使用的外部元器件數(shù)量、使設(shè)計(jì)更時(shí)髦輕薄的工藝。

待機(jī)能耗有時(shí)候也稱作“吸血鬼能耗”或是“虛負(fù)載”,指的是電子設(shè)備及電器在關(guān)斷電源但仍然插在電源插座上時(shí)消耗的電能。以美國(guó)為例，待機(jī)能耗約占美國(guó)家庭平均總能耗約10%.這相當(dāng)于令人驚愕的129太瓦時(shí)（即為1,290億千瓦時(shí)）的電能，或者是36座400兆瓦發(fā)電廠輸出的電能，導(dǎo)致每年排放7,500萬(wàn)噸二氧化碳。

在美國(guó)，2008年7月生效的現(xiàn)行聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)要求功率低于250 W的電源空載能耗低于500 mW.最近，美國(guó)能源部（DOE）提出了更嚴(yán)格的電池充電器及電子產(chǎn)品電源能效標(biāo)準(zhǔn)，并將于2013年7月生效。根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)，銘牌輸出功率介于49至250 W之間（典型筆記本視頻器功率位于此范圍）的交流-直流（AC-DC）外部電源的最大空載能耗必須低于0.210 W.然而，這些國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)通常落后于其它標(biāo)準(zhǔn)及市場(chǎng)要求。美國(guó)1975年能源政策及節(jié)能法案（EPCA）規(guī)定：任何新的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的制定必須旨在提供最大程度的能效提升，不僅要在技術(shù)上可行，也要具備經(jīng)濟(jì)合理性。因此，這些國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)通常并不代表“一流的”性能。諸多電源制造商要求將空載能耗限制到盡可能地低，從而將其產(chǎn)品與競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品區(qū)別開(kāi)來(lái)。

圖1:美國(guó)能源部提出的AC-DC外部電源節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)

在能效標(biāo)準(zhǔn)上最為進(jìn)取的政府機(jī)構(gòu)很可能是美國(guó)加州。電源制造商可不想提供僅針對(duì)加州的特定型號(hào)產(chǎn)品，因此，加州標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際影響范圍要廣得多。例如，美國(guó)加州在2012年1月出臺(tái)的新的電器能效規(guī)范將電池充電器系統(tǒng)作為重要焦點(diǎn)。加州每年有超過(guò)1.7億個(gè)充電器被用于充電，根據(jù)推測(cè)，在此特別領(lǐng)域提升能效，每年將可節(jié)省2,200吉瓦時(shí)（即22億千瓦時(shí)）的電能。這些電路足夠?yàn)?5萬(wàn)個(gè)家庭供電，相當(dāng)于為住宅/商業(yè)用電賬單每年節(jié)省3.06億美元。美國(guó)加州能源委員會(huì)（CEC）實(shí)施的這些能效規(guī)范要求手機(jī)、個(gè)人照護(hù)設(shè)備及電動(dòng)工具所使用的所有消費(fèi)類充電器在2013年2月前必須遵從，而工業(yè)類充電器須在未來(lái)12個(gè)月內(nèi)遵從。美國(guó)其他幾個(gè)州希望遵循加州降低待機(jī)能耗限制值的范例。

圖2:電動(dòng)工具所用的典型老式充電系統(tǒng)

圖2介紹了過(guò)去常用的基本充電器系統(tǒng)電路圖。此特別案例使用鎳鉻（NiCd）電池來(lái)為電動(dòng)工具充電。電池在1小時(shí)內(nèi)的電量標(biāo)為C.例如，以0.5 C的充電速率來(lái)為額定容量600 mAh的電池充電，使用300 mA充電電流要經(jīng)歷超過(guò)2小時(shí)才能完全充滿電池。

圖2中的電路能以0.1 C的恒定充電速率。由于充電器的60 Hz變壓器的設(shè)計(jì)意圖是維持低成本，而非提供高能效等級(jí)，空載能耗通常將高于0.5 W,如此高的空載能耗不再能夠令人接受。早期想法是使充電器能效更高，但不注意事實(shí)上充電后電路會(huì)持續(xù)無(wú)限期地浪費(fèi)電能。這已經(jīng)被證明是一種有點(diǎn)誤導(dǎo)的視角。

即便是當(dāng)今市場(chǎng)上的許多充電器，也仍然缺乏檢測(cè)電池是否完全充滿的能力，且因此在充電過(guò)程完成后仍然持續(xù)提供電能給電池，因而浪費(fèi)電能（釋放為熱量）。通過(guò)使用可以關(guān)閉完全充滿之電池的充電通道，電能就不會(huì)無(wú)謂地浪費(fèi)，電池也不會(huì)置于損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

提供低待機(jī)能耗工作的創(chuàng)新方案

家庭中一項(xiàng)常見(jiàn)的待機(jī)能耗源頭就是筆記本適配器。這些適配器相當(dāng)多的使用時(shí)間是在筆記本電腦斷開(kāi)連接或關(guān)斷的情況下在桌子底下度過(guò)的。如今典型的市售筆記本適配器在空載條件下約消耗300 mW至500 mW的能耗。然而，許多領(lǐng)先制造商如今要求下一代筆記本適配器的空載能耗限制到低于30 mW,從而使其產(chǎn)品與競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品區(qū)域開(kāi)來(lái)。圖3顯示了65 W筆記本適配器用下一代充電系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示例。此電路最重要的元器件就是固定頻率電流模式控制器IC及次級(jí)端開(kāi)關(guān)電源（SMPS）控制器IC.

圖3:帶空載檢測(cè)功能的先進(jìn)充電電路簡(jiǎn)化電路圖

這示例中指定的固定頻率電流模式控制器（即安森美半導(dǎo)體的NCP1246）經(jīng)過(guò)了專門(mén)優(yōu)化，在空載及輕載條件下消耗極低的能耗。交流-直流（AC-DC）電源空載條件下輸入能耗的其中一項(xiàng)主要是X2電容放電電路。典型適配器包含高壓X2電容，它連接至交流輸入端，作為電磁干擾（EMI）濾波器的一部分。出于安全原因，強(qiáng)制要求此電容在從墻上拔出適配器插頭后的1秒時(shí)間內(nèi)放電至安全電壓電平。否則，接觸交流插頭的扁腳（prong）就面臨電擊的危險(xiǎn)。符合此要求的標(biāo)準(zhǔn)方法是使用一串與電容并聯(lián)的高阻抗泄放電阻。當(dāng)用于230 Vac應(yīng)用時(shí)，這恒定的電阻型消耗源約消耗25 mW輸入能耗。當(dāng)顧及到空載能耗時(shí)，這25 mW就變得相當(dāng)大了。NCP1246解決此問(wèn)題的方法是加入帶有源放電電路的內(nèi)置交流線路檢測(cè)器。這控制器在檢測(cè)到不再存在交流信號(hào)時(shí)，激活內(nèi)置開(kāi)關(guān)來(lái)使電容放電。有了這個(gè)功能，就不再需要泄放電阻了，消除了恒定的25 mW能耗源頭。

次級(jí)端開(kāi)關(guān)電源控制器（即安森美半導(dǎo)體的NCP4354）是NCP1246的伴侶IC,能夠檢測(cè)空載條件，并使電源進(jìn)入低能耗關(guān)閉模式。在關(guān)閉模式期間，初級(jí)端控制器停止工作，能量由輸出電容提供。適配器的輸出電壓開(kāi)始下降，因?yàn)槌跫?jí)端不再在存在開(kāi)關(guān)工作。這并不構(gòu)成什么問(wèn)題，因?yàn)檫m配器在此模式下不再連接至筆記本電腦。輸出電壓被允許下降至某個(gè)可調(diào)節(jié)電平，直到NCP4354通知初級(jí)端重啟，重新為輸出電容充電并因此維持工作。當(dāng)適配器重新連接至電池時(shí)，NCP4354控制器自動(dòng)重啟初級(jí)端控制器。能僅以一顆光耦提供反饋控制及導(dǎo)通/關(guān)閉信號(hào)。當(dāng)在此類電路中一起使用時(shí)，NCP1246和NCP4354能夠采用美國(guó)規(guī)格的交流主電源提供低于10 mW的空載能耗，且在寬交流主電源電壓范圍下提供低于20 mW的空載能耗。

圖4:65 W適配器電路圖

雖然許多消費(fèi)電子OEM生產(chǎn)高能效產(chǎn)品，但他們常常會(huì)對(duì)低能耗的充電系統(tǒng)感到失望。如今已經(jīng)出現(xiàn)重要進(jìn)展，電池充電器可以消耗更少電能，同時(shí)提供市場(chǎng)所要求的高性能基準(zhǔn)。諸如本文所介紹的系統(tǒng)致力于滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，并降低系統(tǒng)復(fù)雜度、節(jié)省珍貴的電路板空間及使物料單（BOM）成本受到控制。