家用电器所面临的功耗问题

电池供电产品要求高效、小尺寸、低成本，而交流供电（100V、120V或230V）产品则过度关注低成本的需求，从而导致低效的产品设计。 众所周知，许多家用电器在所谓的待机模式下会损耗大量的能量，例如，一台电视机在待机模式下的能量损耗一般为4Wh(瓦时)，如果一台电视每天工作3小时，其余21小时处于待机模式，则其每年的待机功耗将会达到30kWh！如果数百万家庭，每个家庭拥有几台这样的装置的话，待机功耗将成为一个非常严重的问题。如果要求在不使用电器时拔掉插头或切断电源，又会为消费者带来诸多不便，所以需要通过其它途径解决这一问题。 在家用电器的待机功耗标准推出之前，集成电路制造商在支持低功耗模式方面没有太大的积极性。而最新版的EU标准开始鼓励制造商提高产品的能效，其他国家也在考虑制订相应的标准。未来的电器产品将会给出详细的规格信息，为消费者采购提供帮助。本文介绍了几个大功率损耗的来源，并提出了相应的解决方法。 影响效率的因素 由于任何电子元器件消耗的电流都会影响设备的整体效率，因此，即使采用最好的电源管理措施也无法弥补每个元器件的额外功耗。以低功耗创建高效系统的唯一途径是严格检测每个部件，低功耗设计可降低电源电流，使器件的自身损耗降到最小。 对于家用电器的供电电源和电源管理方案，开关模式电源转换器与线性稳压器相比能够提供更高的效率，因此，我们主要考虑影响开关电源效率的主要因素。 频率是影响效率的关键指标，开关在每次通、断过程中都将产生损耗，频率越高损耗越大。这种损耗在主电源中非常显著，电管电路中的寄生元件在每次开关操作中都会以较高的电压（峰值大约为170V）进行充电、放电。与电池供电产品(频率高达500kHz)相比，家电产品中的主电源可以工作在较低频率(如100kHz)，以获得高效率。 变压器的磁芯材料以及绕组线圈也会产生功耗，磁芯损耗与频率和作用在电感上的电压成正比，变压器次级也存在损耗，例如线圈之间交流电流的损耗、趋肤效应等。其它产生损耗的原因还包括：不良的线圈耦合产生漏感，导致线圈原级和次级之间漏电。合理设计绕组有助于降低漏感。 电阻损耗也是需要考虑的因素，电路中的MOSFET应该具有尽可能小的RdsON，可能的话，还要尽量降低栅极驱动负载。电流检测电阻的功耗应尽可能低，一些工业标准的PWM控制器IC，其检流电阻的压降会达到1V左右，而Maxim提供的开关电源控制器（如MAX5094C）的检流电阻输入压降只有300mV，能够在降低功耗的同时保证较低的信噪比。如果电源工作在连续的脉宽调制模式下，则须采用低RdsON的MOSFET替换电路中的续流二极管。 另外，一种称为自适应电压定位（adaptivevoltagepositioning）的新技术在重载下将输出电压保持在最低工作电压，可大大降低微处理器的功耗。 待机模式 待机模式通常由红外遥控接收器控制，接收器电源通常是将主电源分压后经过串联或并联型稳压源获得。由于接收器工作在较低电压，较大的输入输出电压差将通过电阻转换成热量损耗掉。 为了解决这一问题，可以使用储能电容或可充电电池为IR接收器和滞回比较器供电。当电容或电池电压较低时，比较器如同一个小的开关电源，将电压恢复到其上限，这种方案可大大降低待机功耗。 Maxim的开关电压控制器采用了类似的工作原理，控制器的输出电压与门限值进行比较，如果输出电压高于门限，控制器将保持休眠模式；如果低于门限，控制器将重新开启开关工作模式，直到输出电压达到预置门限（图1）。 PFM（脉冲频率调制）系统的工作频率是变化的，这会影响设备待机模式下的EMC。为了满足EMC标准，电子设备的电源管理子系统通常保持固定的开关频率。对于这种情况，可以选择Maxim具有空闲模式的开关电源，常规负载下工作在固定频率，只是在轻载下（大约是满负荷的30%）工作在PFM模式。图2比较了具有空闲模式的转换器效率和只能工作在PWM模式的转换器效率。 工作模式 为了设计一个高效的电源管理系统，首先需要选择适当的电源架构。在设计产生各路电源之前需要了解对电源电压的具体要求：电压容限、负载范围等。例如，电视机需要多种电源电压，最好采用能够提供多路输出的电源。本文不对标称工作模式的电压要求进行讨论。 结论 目前，很少有消费者能够获得电器产品的效率指标，家电产品也很少列出详细的不同模式下的功耗指标。新颁布的EU标准给出了详细的规格，有助于用户的选择。由于该标准同样会引导IC制造商公布其集成电路的相关指标，可以创造良好的设计环境。

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