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超低待機能耗設計 提高能源效率
 

【作者: Akshat Jain等】   2017年01月18日 星期三

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若不拔出插頭,當前的多數電子應用和電器均無法完全關閉。這些應用整天耗能,甚至在其未運行主要功能時也是如此。這些功率是由運轉電路供電和需接收遠端信號、軟鍵盤、開關和顯示器(包括多種LED狀態燈(使用者觸發))的感測器消耗。人們將這種耗能稱為「待機功耗」。例如:一台32英寸的LED電視機,在正常使用時消耗功率為50W,但關閉後,其通過遠端和插在電源上的插座仍可耗能1W。想像一下,數百萬台電視機待機一個月!常用家用電器消耗的待機功率約為0.5–5W,但一個住宅或辦公室裡有許多電器,所有電器加起來會造成大量電力浪費。據估計,待機功耗產生的CO2排放量占全球總量的1%。因此,降低與待機功耗有關的不必要能耗有助於節約大量功率並降低全球變暖的風險。


各種工業標準中提出了什麼關於待機消耗的要求?

多個將降低待機能耗作為共同目標的機構遵守不同的國際標準。


IEC 62301:

IEC 62301規定了測量「能源標識」上待機模式消耗電能的方法。該方法適用於總體或部分額定功率介於100V到250V單相產品交流電的電器產品。IEC 62301第4.5條指出,在待機模式期間,電器消耗少於5mW的供電可向下取整舍為0,或視為「零待機」功耗。


能源之星:

能源之星是源於美國的國際標準,適用於節能消費品。環境保護署和能源部在1992年創立了該項目。此後許多國家均採用該項目。符合能源之星要求的電子產品待機消耗不得高於1瓦特。


能源效率局:

能源效率局是印度的一個政府機構,隸屬於2002年3月創建的能源部管轄,遵守2001年國家能源節約法案的規定。BEE對不同的應用制定了不同的額定功率,符合BEE標準的電子產品必須遵守IEC 62301第3.6條的規定。例如,帶有LED背光燈的電視待機功耗應低於0.6W。


藍天使:

藍天使(Der Blaue Engel)是德國一項針對環境友好產品和服務的認證。符合藍天使要求的電子產品在待機模式下消耗的功率必須少於1瓦特。


用於降低待機功耗和電器產品總能耗的策略如下:


**高效供電—設計者通過開發新技術、高級元件並微調配置,讓供電效率更高。


**將智慧性擴展至電器設備和應用:


**製造用於集成電子設備的感測器與執行器,從而進行自主分析和決策。


**製造能與使用無線協定(例如藍牙、Wi-Fi和4G等)的網路連接的電子設備,從而更好的進行控制和監測。


**減少閒置時間—電腦和視頻遊戲機等多種應用均帶有能設置休眠模式電源中斷時間間隔的選項。


**更新半導體製程—半導體公司正在開發更新的製程,以滿足嚴格的節能標準,鍛造低功率模式。


電器應用的通用方塊圖:

如果我們觀察下方圖1,會發現用紅色虛線框包圍強調的方塊應處於強制活躍狀態。這是為了確保應用在任何情況下都不會錯過使用者回應和命令。應用的總功耗應為實際負載加上這種活躍階段產生的功耗。現代應用的常規技術是在不使用時僅保持該階段活躍,並關閉消耗電力的方塊。這意味著待機消耗完全取決於紅色虛線內部的方塊,如,備用電源和使用者介面。


因此,如果我們的設計能使該階段的功耗降至最低,那麼就能輕易滿足任何地域的待機功耗要求。下方示例解釋了一個待機功耗低於50mW的系統。



圖1 : 電器應用的通用方塊圖
圖1 : 電器應用的通用方塊圖

示例系統實施:

人們已開發該系統,用於評估VIPer0P設備的特殊性質,例如零功率模式(ZPM)。其主要組件如下:


**VIPer0P—零功率離線高壓整流器,


**STM32L052K6—超低功率ARM Cortex-M0+微控制器


如圖2所示,VIPer0P是意法半導體所製造的一種標準固定頻率單片反激整流器,其可處理功率達到7W,但為實現待機模式下的零功率,該裝置增加了一些其他階段。零功率模式(ZPM)性質能確保VIPer0P在閒置狀態下工作,此時系統處於完全關閉狀態,沒有開啟活動。



圖2 : VIPer0P方塊圖
圖2 : VIPer0P方塊圖

如圖4和圖6所示,在標準操作狀態下,該系統相當於一個標準反激整流器。主負載和備用階段均由主輸出供應。微控制器對特定使用者命令解碼後,該系統會立刻進入零功率模式。在零功率模式下,系統中沒有開機活動。因此輸出中沒有可用電壓。在這種特殊情況下,微控制器仍保持開啟,在大型應用中其還可用於關閉主負載。如圖2所示,保持活躍的VIPer0P關鍵方塊是「零功率邏輯」方塊和4V穩壓器。4V線性穩壓器由Vcc供電,提供操作並保持「零功率邏輯」方塊活躍所需的幾微安。如上所述,開啟和關閉針腳通過50k?的上拉電阻,在內部與該4V供電線相連,因此任意一個針腳均可用於為某些外部電路(例如微控制器)少量電流。


由於VIPer0P能耗極低,且可在輕載情況下在脈衝頻率調製檔上運行,因此其能滿足多數嚴格的節能標準如圖3所示,VIPer0P可在不同模式之間切換。



圖3 : VIPer0P—在不同模式之間切換
圖3 : VIPer0P—在不同模式之間切換

圖4和圖6展示了VIPer0P IC開啟和關閉針腳供電的微控制器用於智慧零功率模式管理的情況。VIPer0P支持反激、降壓和降壓-升壓整流器設計。如圖3所示,微控制器管理應用運行,通過拉低關閉針腳關閉SMPS,並通過拉低開啟針腳喚醒SMPS。按鈕或觸摸開關或電容觸控的狀態由微控制器的其他CPIO針腳進行傳感。由於零功率狀態下的微控制器需要供電,因此其必須帶有電源管理的高級性質,例如意法半導體生產的STM32L0xx系列微控制器具有快速喚醒的超低功耗待機模式。



圖4 : 基於非隔離式反激拓撲的零待機功率結構
圖4 : 基於非隔離式反激拓撲的零待機功率結構

基於VIPer0P和STM32L052K6,該公司已開發出一種用於家電的7W雙輸出(+7V和-5V)離線反激整流器。該系統配備按鈕和電容觸控感測使用者介面,可演示VIPer0P的零功率模式。


評估板待機功耗:


**低於20mW(輸入—115V交流電)


**低於50mW(輸入—230V交流電)



圖5 : 基於VIPer0P和STM32L052K6的評估板
圖5 : 基於VIPer0P和STM32L052K6的評估板

圖4所示為非隔離反激拓樸配置,可用於具有使用者觸發工作迴圈和自動終止功能的應用。如圖6所示,有很多應用可通過用戶使用RF或IR遠端控制開啟或關閉(例如空調、電視機設置、Hi-Fi和家庭影院系統),反激拓樸也可用於處理此類應用。



圖6 : 基於RF或IR遠端控制應用隔離反激的零待機功率
圖6 : 基於RF或IR遠端控制應用隔離反激的零待機功率

結論

隨著VIPer0P智慧性的增加,零待機功耗的目標(根據IEC62301第4.5條)似乎在多數應用中可輕易達到。這種智慧節能不僅減少了電費,還降低了溫室氣體排放。


圖7
圖7

(本文作者Akshat Jain、Ranajay Mallik任職於意法半導體印度AMG中心實驗室)


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