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为物联网供电:下一代外置电源将有助于促进能耗减少

本文讨论即将发布的关于外部 AC DC 电源适配器的 VI 级能效规范,以及满足新标准,并有助于促进降低 IoT 应用整体功耗所需的设计更改。
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  随着数十亿的“物品”即将连接到互联网,节约功耗显得至关重要。不仅自供电或电池供电传感器需要节能,通常由交流线路供电的网关等设备也不例外。本文讨论即将发布的关于外部 AC/DC 电源适配器的 VI 级能效规范,以及满足新标准,并有助于促进降低 IoT 应用整体功耗所需的设计更改。

  物联网 (IoT) 一词会让人联想到无所不在的、由微型传感器构成的网络,那些传感器可能正在监视着空气质量或水质,交通流量或工业生产过程,以及我们的家居环境或身体健康状况。 这些传感器通常被设想为超低功耗设备,终身依靠小型钮扣电池、太阳能板或者其他微型能量采集子系统工作。 因此,就其自身能量需求而言,这些设备被认为可带来巨大的经营效益,而对环境则产生极小的影响。

  据估计,所连接的传感器数量几年之后将超过万亿,实现 IoT 的视觉、听觉和触觉功能。 不过,它们不大可能直接连接到互联网。 Wi-Fi 或以太网连接不宜集成到小型电池供电或自供电 IoT 端点中,那样做成本高昂,功耗过大。

  在诸多工业或民用传感器网络应用中,连接到互联网通常要通过集线器或 IoT 网关,在传感器与互联网之间架起联系的桥梁。 这样,网关会根据智能蓝牙或双线连接等标准对传感器执行非 IP 接口,也作为以太网端口或 Wi-Fi 接口的主机,使其连接互联网。 通过互联网,网关能够实现传感器与云服务等集中管理器之间的数据双向传输。 传感器数据的基本处理也通常在网关本地执行,随后结果将传输至云端。 图 1 概述了 IoT 网关的基本功能

  图 1:需要通过 IoT 网关将低功耗、非 IP 传感器连接到互联网。

  据预测,未来 4 到 5 年将会有 500 亿个诸如 IoT 网关这样的设备连接到互联网。 管理各种网关功能,包括多传感器接口、互联网连接和嵌入式处理等,都需要电力,这就意味着设备需要插入主电源或者经常充电。 不久的将来,随着如此多的设备连入互联网,电力需求会显著增加,不论是来自离线电源还是充电电源。

  电源能效标准

  连接电网的电子设备数量大幅增长已不再是新鲜事。 至少自进入消费者电子产品时代以来,大幅增长所带来的影响一直是科学家们的关注重点。 美国消费电子协会的数据显示,在 20 世纪 70 年代,美国一般家庭通常拥有一台电视机,可能还会有一台洗衣机,而如今每个家庭的电子产品拥有数量已上升至 24 件。 其中包括多台电视机、PC、平板电脑、智能手机、打印机、游戏控制台等其他电器,这些设备可能配备内部电源,也可能通过适配器或外置电源 (EPS) 来工作。 到了上世纪 90 年代,仅美国使用的外置电源 (EPS) 数量就超过了 10 亿个。

  图 2:90 年代初,有研究预测,如果不采取相关措施,在 20 年内外置电源空载功耗将占美国用电总量的 30%。

  我们都知道,用户通常没有在电器关闭或连接断开后拔下插头的习惯,有鉴于此,对用户浪费“幻象电源”或“空载电源”的担忧开始增加。 1998 年,加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室 (LBNL) 的 Alan Meier 在研究中估计,美国居民用电中约有 5%,价值大约 30 亿美元的电能是被待机设备的电源所浪费。 结果当然是导致能源价格上涨,更多地担忧过度消耗能源对环境造成损害。

  为应对上述难题,2004 年,加利福尼亚州能源委员会施行了全球首部关于外置电源的能效法规。 继而,全球大部分市场,包括整个美国、加拿大、欧洲和澳大利亚纷纷效仿。 最终,这些法律经过协调统一,形成了外置电源《国际能效标识协议》。 这一过程经过了几代人的努力,对空载功耗和最低平均工作效率的限制规定日益严格。 如今,在美国和加拿大销售的所有外置电源都必须符合该协议的 IV 级能效规范,其铭牌上必须贴有罗马数字 IV 标签。 欧盟目前施行的是更为严格的 V 级能效规范。

  2014 年,美国能源部 (DoE) 宣布,2016 年 2 月 10 日之后在美国制造和销售的所有外置电源必须符合更高标准的 VI 级能效规范。 尽管尚无任何机构宣布其最终标准,但历史规律表明,不用多久,欧盟及其他国家有关当局会将其能效要求提高至 VI 级。

  鉴于 IoT 应用将呈爆炸式增长这一预期,外置电源的 VI 级能效规范可对环境提供有效保护,防范即将要连接到电网的海量 IoT 网关所带来的影响。 全球的原始设备制造商 (OEM) 需要和最新法规与时俱进,这点很重要。

  电源设计选择

  内部电源不受《国际能效标识协议》的约束。 在设计中纳入内部电源而非 EPS,或许无需遵循该法规。 不过,其他法规也可能适用,比如能源之星评级系统或欧盟关于能源相关产品 (ErP) 的环保设计指令 2009/125/EC。 而且,设计定制的内部电源或集成第三方模块,可能也超出了设计人员的经验范围。 此外,内部电源还会增加产品的重量和体积,而需要更大的外壳。

  现成 EPS 提供的解决方案快速而方便,可符合适用的法规。2014 年底,CUI 开始在其 EPS 系列中推出 VI 级规范产品,以满足后续法规要求。 EPS 制造商通常会调整产品组合来满足最高的强制性标准,这样,OEM 客户可在运往多个出口市场的产品中,搭配一款通用型电源,以最大化运营效率和减少供应链错误。

  VI 级能效规范

  VI 级规范协议明显要比过往协议复杂。 其中将电源划分为了五大类别, 包括:

  单电压外部 AC/DC 电源(基本电压)

  单电压外部 AC/AC 电源(基本电压)

  单电压外部 AC/DC 电源(低电压)

  单电压外部 AC/AC 电源(低电压)

  多电压外置电源的输出功率最高为 49 W

  注:低压电源的输出电压小于 6 V,输出电流大于 550 mA。 基本电压电源指非低电压电源。 除此之外,VI 级规范首次对功率超过 250 W 的单电压电源作出了法律规定。

  相较于针对备用电源的 V 级能效规范,VI 级能效规范对可允许的最大功率进行了下调,从 0.3 W(对于标准电压 EPS,最高为 49 W)下调到了 0.1 W(对于单电压 AC/DC 电源,额定功率范围是 1 W 至 49 W。新颁布的平均能效要求也是严苛如以往。 图 2 显示了相较于类似的 III、IV 和 V 级能效规范,VI 级规范基本电压 AC/DC 电源平均能效的提升情况。

  图 3:VI 级规范规定的平均能效阈值高于 III 至 V 级规范的规定值。

  通过设计满足 VI 级规范要求

  设计符合满足更高新标准的 EPS 是一项严峻的挑战。 相较于 CUI 的 V 级规范电源,VI 级规范电源在初级和次级电路的几乎每个方面均有所更改。 这些更改包括在设计中纳入最新的控制 IC,以支持改进后的轻载工作模式:正常工作时,新型控制器以与 V 级规范产品同样的开关频率 65 kHz 进行工作,但在轻载和空载时会更改至 22 kHz,以降低功率损耗、提高能效。 次级反馈电路中的电容和电阻值经过重新优化,可减轻开关频率较低、纹波和噪声较多时带来的影响。 控制 IC 还利用新技术减少静态功耗,这会进一步有益于满足更为严苛的最高空载功耗限制要求。

  低压/高电流 VI 级规范电源中的次级电路采用 MOSFET 并增加一个控制 IC,将其由简单的二极管整流变为同步整流。 此外,更大电阻值和其他元件的更改(比如增大线规)将有助于减少内部功率耗散。 不仅如此,导通电阻更低的较新 MOSFET 有助于提升较大负载时的能效。

  另一方面,主电源电路的布置和现有 V 级规范的装置基本无异。 额定功率低于 120 W 的装置采用 CUI 成熟的反激式设计,而额定功率高于 120 W 的适配器则采用 LLC 谐振拓扑。 值得注意的是,VI 级规范电源的平均能效提高后,也有助于降低典型工作温度,从而提升可靠性。 在 IoT 应用中,对于通常需要在现场长时间工作,只需很少或不需要维护的设备来说,这是特别重要的有利因素。

  结论

  可以预见,IoT 将为工业、环境、生态和生活质量带来大量且广泛的益处。 另一方面,预期的大量部署会引起新型网络集线器和网关的出现,数量庞大且必须由交流线路供电。 最新的 VI 级规范标识协议将于 2016 年 2 月在美国强制施行,满足该协议的新型外置电源可提升平均能效,降低空载功耗,从而有助于补偿增加的电力需求。

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