電源適配器必須能夠安全使用并將用戶(hù)與致命的交流電源電壓隔離。適配器或外部電源還不得在使用和空載模式下產(chǎn)生不必要的功耗，從而破壞環(huán)境。此外，它們不得通過(guò)傳導(dǎo)或輻射電磁發(fā)射損壞或干擾其他設(shè)備。

標(biāo)準(zhǔn)也適用于這些考慮因素，有些是強(qiáng)制性的，有些是自愿的。申請(qǐng)和使用國(guó)家也需要審查。同樣，電源適配器必須具有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的傳導(dǎo)和輻射發(fā)射抗擾度，并指定不同級(jí)別，代表不同的最終使用環(huán)境。

本文總結(jié)了適配器效率和空載/待機(jī)損耗的要求。它還解釋了目前在美國(guó)、歐洲和世界其他地區(qū)適用的標(biāo)準(zhǔn)。電磁兼容性 (EMC) 標(biāo)準(zhǔn)也需要考慮;同樣，存在地區(qū)和應(yīng)用差異。例子包括符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)并適合世界各地市場(chǎng)的產(chǎn)品。

了解電源適配器效率

在理想的情況下，電源適配器應(yīng)該是 100% 節(jié)能的。然而，電力轉(zhuǎn)換過(guò)程(無(wú)論是從交流電到直流電還是從直流電到直流電)都涉及到許多分立元件的使用，其中一些元件會(huì)產(chǎn)生能量損失。通常，在任何開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)中，總體損耗都是由多個(gè)不同部件上的大量少量損耗引起的。用于開(kāi)關(guān)的電感器和半導(dǎo)體會(huì)造成損耗，但絕不是唯一的組件。

電力電子設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)輸出功率除以輸入功率來(lái)計(jì)算交流/直流電源適配器的能效，并將結(jié)果顯示為百分比。例如，如果適配器在 4 A 電流下提供 12 V DC的滿(mǎn)載輸出，則相當(dāng)于 48 瓦輸出。在交流輸入方面，假設(shè)功率因數(shù)為 1，則 220 V交流電和 0.25 A 電流可提供 55 瓦的輸入功率。因此，電源適配器的效率為 87%。

在此示例中，輸入和輸出功率之間的差異導(dǎo)致需要消散 7 瓦的廢熱。廢熱是電源適配器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要因素。首先，適配器的環(huán)境溫度會(huì)對(duì)組件可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。電源適配器的效率越高，散發(fā)的廢熱就越少，因此適配器在運(yùn)行過(guò)程中就越可靠。組件可靠性的提高可延長(zhǎng)適配器的使用壽命。

此外，保持電源適配器的高效率意味著不需要風(fēng)扇輔助冷卻，并且僅通過(guò)傳導(dǎo)冷卻即可消除產(chǎn)生的廢熱。在選擇交流/直流電源適配器時(shí)，設(shè)計(jì)工程師會(huì)找到適配器數(shù)據(jù)表中引用的能效等級(jí)。

電源適配器效率的另一個(gè)考慮因素是它不是靜態(tài)的。任何轉(zhuǎn)換電路的功率效率都會(huì)隨著施加在其上的負(fù)載的變化而變化。通常，適配器輸出上的功率負(fù)載越低，功率轉(zhuǎn)換過(guò)程的效率就越低。效率還取決于輸入交流線路電壓，因此檢查數(shù)據(jù)表以了解其可以適應(yīng)的交流輸入范圍至關(guān)重要。

此外，工作溫度會(huì)影響效率，并且一些適配器會(huì)隨著溫度升高而降低其最大功率輸出。對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，了解最壞情況下的效率等級(jí)至關(guān)重要，以防需要任何額外的冷卻方法。

能源效率標(biāo)準(zhǔn)

隨著能源使用成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)，人們更加關(guān)注電源適配器的效率。能源效率立法首次出現(xiàn)于 2004 年，當(dāng)時(shí)加州能源委員會(huì) (CEC) 制定了第一個(gè)正式的能源效率標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在，世界上大多數(shù)地區(qū)都有強(qiáng)制性能源效率標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定任何電源或適配器所需的最低效率水平。在某些情況下，某些國(guó)家/地區(qū)采用了美國(guó)或歐洲標(biāo)準(zhǔn)，而不是制定單獨(dú)的立法。

自 CEC 最初規(guī)范以來(lái)，允許的效率限制已經(jīng)進(jìn)行了多次迭代。美國(guó)目前的標(biāo)準(zhǔn)是能源部 VI 級(jí) (DoE Level VI)，而在歐洲，自 2020 年 4 月 1 日起，它受到 Ecodesign 2019/1782 指令的涵蓋。這些標(biāo)準(zhǔn)不僅適用于電源適配器，還適用于包括電源適配器和最終產(chǎn)品的整個(gè)系統(tǒng)。

多年來(lái)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注供電產(chǎn)品處于待機(jī)模式時(shí)消耗的能量。人們通常認(rèn)為待機(jī)模式(也稱(chēng)為空載條件)下的功耗相對(duì)較小，但不幸的是，情況往往并非如此。一般來(lái)說(shuō)，DoE VI 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和 Ecodesign 2019/1782 標(biāo)準(zhǔn)相似，但有一個(gè)例外。 Ecodesign 2019/1782 要求在 10% 平均負(fù)載條件下測(cè)試效率(圖 1和圖 2)。

圖 1概述了單電壓外部交流/直流電源適配器的美國(guó)能源部 VI 級(jí)能效參數(shù)。

歐洲行為準(zhǔn)則(CoC)Tier 1標(biāo)準(zhǔn)于2014年引入了10%負(fù)載功耗限制，其要求比DoE VI級(jí)規(guī)范要求寬松。 Ecodesign 2019/1782 標(biāo)準(zhǔn)于 2020 年 4 月成為法律，符合 DoE VI 級(jí)平均主動(dòng)效率要求，盡管它不如仍然有效的 CoC Tier 2 標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格。 Ecodesign 包括 10% 負(fù)載效率測(cè)試，但沒(méi)有強(qiáng)加要求。

圖 2歐洲 CoC Tier 2 規(guī)范概述了嚴(yán)格的能效要求。

提高電源適配器效率

最近的半導(dǎo)體工藝技術(shù)進(jìn)步正在幫助電源設(shè)計(jì)工程師提供更高效的電源適配器。正如本文前面提到的，電源適配器效率損失的主要來(lái)源之一是開(kāi)關(guān)晶體管。現(xiàn)在可以使用基于碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體材料的開(kāi)關(guān)晶體管。

基于 WBG 的晶體管除了表現(xiàn)出明顯更高的擊穿電壓外，其開(kāi)關(guān)和傳導(dǎo)損耗也比硅晶體管低得多。使用 GaN 基半導(dǎo)體還可以帶來(lái)更多好處，允許轉(zhuǎn)換過(guò)程在更高的開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行。提高開(kāi)關(guān)頻率意味著一些體積較大的元件(通常是電感器)的尺寸可以顯著減小。

使用 GaN 開(kāi)關(guān)晶體管的電源適配器的一個(gè)示例是SDI200G-U桌面外部電源適配器。它可以持續(xù)提供 200 瓦的輸出功率，并且能效等級(jí)為 95%，符合 DoE VI 級(jí)和 CoC Tier 2 能效規(guī)范。與硅基電源適配器相比，SDI200G-U 桌面適配器的開(kāi)關(guān)頻率有所提高，尺寸減小了一半，重量減輕了 32%。

EMC 和 EMI 考慮因素

另一組國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電源適配器可能產(chǎn)生的最大電磁輻射水平。在任何開(kāi)關(guān)模式電源或適配器中，大部分電磁噪聲發(fā)射都來(lái)自開(kāi)關(guān)電路。發(fā)射分為兩個(gè)不同的類(lèi)別：傳導(dǎo)和輻射。

當(dāng)電磁噪聲沿著連接線傳播到直流輸出而離開(kāi)適配器時(shí)，就會(huì)發(fā)生傳導(dǎo)發(fā)射。因此，意外發(fā)射可能會(huì)干擾適配器供電的產(chǎn)品的正常運(yùn)行。此類(lèi)發(fā)射通常是 10 kHz 至 30 MHz 范圍內(nèi)的低頻。在 30 MHz 以上，適配器的內(nèi)部導(dǎo)體充當(dāng)天線，導(dǎo)致不需要的噪聲信號(hào)的輻射。

電源適配器需要符合相關(guān)的EMC標(biāo)準(zhǔn)。隨著家庭、辦公室和汽車(chē)中電子設(shè)備和裝置數(shù)量的增加，對(duì)電磁合規(guī)性測(cè)試的需求也越來(lái)越大，以便一臺(tái)設(shè)備不會(huì)干擾或破壞另一臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行。

在美國(guó)，聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC) 第 15 部分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了傳導(dǎo)和輻射電磁干擾 (EMI) 的限制。在歐洲，適用與 FCC 第 15 部分一致的 CISPR 32 標(biāo)準(zhǔn)。兩者都定義了 A 類(lèi)和 B 類(lèi)設(shè)備的限制。 A 類(lèi)涵蓋了用于商業(yè)和工業(yè)場(chǎng)所的各種設(shè)備，B 類(lèi)涵蓋了用于住宅環(huán)境的設(shè)備。

圖 3顯示了歐洲 CISPR 32 傳導(dǎo)和輻射雜散發(fā)射的場(chǎng)強(qiáng)限制。

圖 3 CISPR 32 標(biāo)準(zhǔn)定義了傳導(dǎo)和輻射發(fā)射的場(chǎng)強(qiáng)限制。

電源適配器設(shè)計(jì)人員使用各種濾波技術(shù)和組件來(lái)減少不必要的發(fā)射。如圖4所示，交流線路上的電容器形成共模和差模濾波器布置，以衰減從適配器傳導(dǎo)出的任何噪聲。

圖 4共模和差模濾波器可衰減從電源適配器傳導(dǎo)出的噪聲。

在直流輸出側(cè)，正極線和負(fù)極線之間的電容器可減少任何不需要的噪聲發(fā)射。輸出中的串聯(lián)電感器與鐵氧體磁珠一起經(jīng)常用于限制任何輻射。

選擇合適的交流/直流電源適配器時(shí)，安全并不是唯一的考慮因素。確保電源適配器符合可能使用它的國(guó)家/地區(qū)的能效要求是一項(xiàng)基本要求。此外，符合適當(dāng)?shù)?EMI 標(biāo)準(zhǔn)將確保電源不會(huì)干擾或破壞其他設(shè)備的運(yùn)行。