隨著數(shù)十億的“物品”即將連接到互聯(lián)網(wǎng)，節(jié)約功耗顯得至關(guān)重要。不僅自供電或電池供電傳感器需要節(jié)能，通常由交流線路供電的網(wǎng)關(guān)等設(shè)備也不例外。本文討論即將發(fā)布的關(guān)于外部 AC/DC 電源適配器的 VI 級(jí)能效規(guī)范，以及滿足新標(biāo)準(zhǔn)，并有助于促進(jìn)降低 IoT 應(yīng)用整體功耗所需的設(shè)計(jì)更改。

　　物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 一詞會(huì)讓人聯(lián)想到無(wú)所不在的、由微型傳感器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，那些傳感器可能正在監(jiān)視著空氣質(zhì)量或水質(zhì)，交通流量或工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，以及我們的家居環(huán)境或身體健康狀況。 這些傳感器通常被設(shè)想為超低功耗設(shè)備，終身依靠小型鈕扣電池、太陽(yáng)能板或者其他微型能量采集子系統(tǒng)工作。 因此，就其自身能量需求而言，這些設(shè)備被認(rèn)為可帶來(lái)巨大的經(jīng)營(yíng)效益，而對(duì)環(huán)境則產(chǎn)生極小的影響。

　　據(jù)估計(jì)，所連接的傳感器數(shù)量幾年之后將超過(guò)萬(wàn)億，實(shí)現(xiàn) IoT 的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)功能。 不過(guò)，它們不大可能直接連接到互聯(lián)網(wǎng)。 Wi-Fi 或以太網(wǎng)連接不宜集成到小型電池供電或自供電 IoT 端點(diǎn)中，那樣做成本高昂，功耗過(guò)大。

　　在諸多工業(yè)或民用傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，連接到互聯(lián)網(wǎng)通常要通過(guò)集線器或 IoT 網(wǎng)關(guān)，在傳感器與互聯(lián)網(wǎng)之間架起聯(lián)系的橋梁。 這樣，網(wǎng)關(guān)會(huì)根據(jù)智能藍(lán)牙或雙線連接等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)傳感器執(zhí)行非 IP 接口，也作為以太網(wǎng)端口或 Wi-Fi 接口的主機(jī)，使其連接互聯(lián)網(wǎng)。 通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器與云服務(wù)等集中管理器之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸。 傳感器數(shù)據(jù)的基本處理也通常在網(wǎng)關(guān)本地執(zhí)行，隨后結(jié)果將傳輸至云端。 圖 1 概述了 IoT 網(wǎng)關(guān)的基本功能

　　圖 1：需要通過(guò) IoT 網(wǎng)關(guān)將低功耗、非 IP 傳感器連接到互聯(lián)網(wǎng)。

　　據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái) 4 到 5 年將會(huì)有 500 億個(gè)諸如 IoT 網(wǎng)關(guān)這樣的設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)。 管理各種網(wǎng)關(guān)功能，包括多傳感器接口、互聯(lián)網(wǎng)連接和嵌入式處理等，都需要電力，這就意味著設(shè)備需要插入主電源或者經(jīng)常充電。 不久的將來(lái)，隨著如此多的設(shè)備連入互聯(lián)網(wǎng)，電力需求會(huì)顯著增加，不論是來(lái)自離線電源還是充電電源。

　　電源能效標(biāo)準(zhǔn)

　　連接電網(wǎng)的電子設(shè)備數(shù)量大幅增長(zhǎng)已不再是新鮮事。 至少自進(jìn)入消費(fèi)者電子產(chǎn)品時(shí)代以來(lái)，大幅增長(zhǎng)所帶來(lái)的影響一直是科學(xué)家們的關(guān)注重點(diǎn)。 美國(guó)消費(fèi)電子協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)顯示，在 20 世紀(jì) 70 年代，美國(guó)一般家庭通常擁有一臺(tái)電視機(jī)，可能還會(huì)有一臺(tái)洗衣機(jī)，而如今每個(gè)家庭的電子產(chǎn)品擁有數(shù)量已上升至 24 件。 其中包括多臺(tái)電視機(jī)、PC、平板電腦、智能手機(jī)、打印機(jī)、游戲控制臺(tái)等其他電器，這些設(shè)備可能配備內(nèi)部電源，也可能通過(guò)適配器或外置電源 (EPS) 來(lái)工作。 到了上世紀(jì) 90 年代，僅美國(guó)使用的外置電源 (EPS) 數(shù)量就超過(guò)了 10 億個(gè)。

　　圖 2：90 年代初，有研究預(yù)測(cè)，如果不采取相關(guān)措施，在 20 年內(nèi)外置電源空載功耗將占美國(guó)用電總量的 30%。

　　我們都知道，用戶通常沒(méi)有在電器關(guān)閉或連接斷開(kāi)后拔下插頭的習(xí)慣，有鑒于此，對(duì)用戶浪費(fèi)“幻象電源”或“空載電源”的擔(dān)憂開(kāi)始增加。 1998 年，加利福尼亞州勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (LBNL) 的 Alan Meier 在研究中估計(jì)，美國(guó)居民用電中約有 5%，價(jià)值大約 30 億美元的電能是被待機(jī)設(shè)備的電源所浪費(fèi)。 結(jié)果當(dāng)然是導(dǎo)致能源價(jià)格上漲，更多地?fù)?dān)憂過(guò)度消耗能源對(duì)環(huán)境造成損害。

　　為應(yīng)對(duì)上述難題，2004 年，加利福尼亞州能源委員會(huì)施行了全球首部關(guān)于外置電源的能效法規(guī)。 繼而，全球大部分市場(chǎng)，包括整個(gè)美國(guó)、加拿大、歐洲和澳大利亞紛紛效仿。 最終，這些法律經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，形成了外置電源《國(guó)際能效標(biāo)識(shí)協(xié)議》。 這一過(guò)程經(jīng)過(guò)了幾代人的努力，對(duì)空載功耗和最低平均工作效率的限制規(guī)定日益嚴(yán)格。 如今，在美國(guó)和加拿大銷售的所有外置電源都必須符合該協(xié)議的 IV 級(jí)能效規(guī)范，其銘牌上必須貼有羅馬數(shù)字 IV 標(biāo)簽。 歐盟目前施行的是更為嚴(yán)格的 V 級(jí)能效規(guī)范。

　　2014 年，美國(guó)能源部 (DoE) 宣布，2016 年 2 月 10 日之后在美國(guó)制造和銷售的所有外置電源必須符合更高標(biāo)準(zhǔn)的 VI 級(jí)能效規(guī)范。 盡管尚無(wú)任何機(jī)構(gòu)宣布其最終標(biāo)準(zhǔn)，但歷史規(guī)律表明，不用多久，歐盟及其他國(guó)家有關(guān)當(dāng)局會(huì)將其能效要求提高至 VI 級(jí)。

　　鑒于 IoT 應(yīng)用將呈爆炸式增長(zhǎng)這一預(yù)期，外置電源的 VI 級(jí)能效規(guī)范可對(duì)環(huán)境提供有效保護(hù)，防范即將要連接到電網(wǎng)的海量 IoT 網(wǎng)關(guān)所帶來(lái)的影響。 全球的原始設(shè)備制造商 (OEM) 需要和最新法規(guī)與時(shí)俱進(jìn)，這點(diǎn)很重要。

　　電源設(shè)計(jì)選擇

　　內(nèi)部電源不受《國(guó)際能效標(biāo)識(shí)協(xié)議》的約束。 在設(shè)計(jì)中納入內(nèi)部電源而非 EPS，或許無(wú)需遵循該法規(guī)。 不過(guò)，其他法規(guī)也可能適用，比如能源之星評(píng)級(jí)系統(tǒng)或歐盟關(guān)于能源相關(guān)產(chǎn)品 (ErP) 的環(huán)保設(shè)計(jì)指令 2009/125/EC。 而且，設(shè)計(jì)定制的內(nèi)部電源或集成第三方模塊，可能也超出了設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)范圍。 此外，內(nèi)部電源還會(huì)增加產(chǎn)品的重量和體積，而需要更大的外殼。

　　現(xiàn)成 EPS 提供的解決方案快速而方便，可符合適用的法規(guī)。2014 年底，CUI 開(kāi)始在其 EPS 系列中推出 VI 級(jí)規(guī)范產(chǎn)品，以滿足后續(xù)法規(guī)要求。 EPS 制造商通常會(huì)調(diào)整產(chǎn)品組合來(lái)滿足最高的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，這樣，OEM 客戶可在運(yùn)往多個(gè)出口市場(chǎng)的產(chǎn)品中，搭配一款通用型電源，以最大化運(yùn)營(yíng)效率和減少供應(yīng)鏈錯(cuò)誤。

　　VI 級(jí)能效規(guī)范

　　VI 級(jí)規(guī)范協(xié)議明顯要比過(guò)往協(xié)議復(fù)雜。 其中將電源劃分為了五大類別， 包括：

　　單電壓外部 AC/DC 電源(基本電壓)

　　單電壓外部 AC/AC 電源(基本電壓)

　　單電壓外部 AC/DC 電源(低電壓)

　　單電壓外部 AC/AC 電源(低電壓)

　　多電壓外置電源的輸出功率最高為 49 W

　　注：低壓電源的輸出電壓小于 6 V，輸出電流大于 550 mA。 基本電壓電源指非低電壓電源。 除此之外，VI 級(jí)規(guī)范首次對(duì)功率超過(guò) 250 W 的單電壓電源作出了法律規(guī)定。

　　相較于針對(duì)備用電源的 V 級(jí)能效規(guī)范，VI 級(jí)能效規(guī)范對(duì)可允許的最大功率進(jìn)行了下調(diào)，從 0.3 W(對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)電壓 EPS，最高為 49 W)下調(diào)到了 0.1 W(對(duì)于單電壓 AC/DC 電源，額定功率范圍是 1 W 至 49 W。新頒布的平均能效要求也是嚴(yán)苛如以往。 圖 2 顯示了相較于類似的 III、IV 和 V 級(jí)能效規(guī)范，VI 級(jí)規(guī)范基本電壓 AC/DC 電源平均能效的提升情況。

　　圖 3：VI 級(jí)規(guī)范規(guī)定的平均能效閾值高于 III 至 V 級(jí)規(guī)范的規(guī)定值。

　　通過(guò)設(shè)計(jì)滿足 VI 級(jí)規(guī)范要求

　　設(shè)計(jì)符合滿足更高新標(biāo)準(zhǔn)的 EPS 是一項(xiàng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 相較于 CUI 的 V 級(jí)規(guī)范電源，VI 級(jí)規(guī)范電源在初級(jí)和次級(jí)電路的幾乎每個(gè)方面均有所更改。 這些更改包括在設(shè)計(jì)中納入最新的控制 IC，以支持改進(jìn)后的輕載工作模式：正常工作時(shí)，新型控制器以與 V 級(jí)規(guī)范產(chǎn)品同樣的開(kāi)關(guān)頻率 65 kHz 進(jìn)行工作，但在輕載和空載時(shí)會(huì)更改至 22 kHz，以降低功率損耗、提高能效。 次級(jí)反饋電路中的電容和電阻值經(jīng)過(guò)重新優(yōu)化，可減輕開(kāi)關(guān)頻率較低、紋波和噪聲較多時(shí)帶來(lái)的影響。 控制 IC 還利用新技術(shù)減少靜態(tài)功耗，這會(huì)進(jìn)一步有益于滿足更為嚴(yán)苛的最高空載功耗限制要求。

　　低壓/高電流 VI 級(jí)規(guī)范電源中的次級(jí)電路采用 MOSFET 并增加一個(gè)控制 IC，將其由簡(jiǎn)單的二極管整流變?yōu)橥秸鳌?此外，更大電阻值和其他元件的更改(比如增大線規(guī))將有助于減少內(nèi)部功率耗散。 不僅如此，導(dǎo)通電阻更低的較新 MOSFET 有助于提升較大負(fù)載時(shí)的能效。

　　另一方面，主電源電路的布置和現(xiàn)有 V 級(jí)規(guī)范的裝置基本無(wú)異。 額定功率低于 120 W 的裝置采用 CUI 成熟的反激式設(shè)計(jì)，而額定功率高于 120 W 的適配器則采用 LLC 諧振拓?fù)洹?值得注意的是，VI 級(jí)規(guī)范電源的平均能效提高后，也有助于降低典型工作溫度，從而提升可靠性。 在 IoT 應(yīng)用中，對(duì)于通常需要在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間工作，只需很少或不需要維護(hù)的設(shè)備來(lái)說(shuō)，這是特別重要的有利因素。

　　結(jié)論

　　可以預(yù)見(jiàn)，IoT 將為工業(yè)、環(huán)境、生態(tài)和生活質(zhì)量帶來(lái)大量且廣泛的益處。 另一方面，預(yù)期的大量部署會(huì)引起新型網(wǎng)絡(luò)集線器和網(wǎng)關(guān)的出現(xiàn)，數(shù)量龐大且必須由交流線路供電。 最新的 VI　級(jí)規(guī)范標(biāo)識(shí)協(xié)議將于　2016 年 2 月在美國(guó)強(qiáng)制施行，滿足該協(xié)議的新型外置電源可提升平均能效，降低空載功耗，從而有助于補(bǔ)償增加的電力需求。