欧盟关于待机功耗的法规限制愈发严格：简单的新型电源IC能否满足需求？
作者：Vito Prezioso，电源专家现场应用工程师（南欧），富昌电子
根据欧盟（EU）的研究，2015 年家用设备在关闭或待机模式下的年能耗估计为 59.4 TWh。这种电能浪费导致了 2380 万吨二氧化碳当量的温室气体的排放。
现在，设备制造商必须设计产品以将待机功耗控制在严格的限制范围内。但这并不总是一项复杂而昂贵的工作：正如本文所解释，在AC-DC电源转换器中添加一个简单的 IC 就可以在设备插入时大幅节省功耗。
新生态设计要求的覆盖范围广泛
新的欧盟法规 2023/826 将于 2025 年 5 月 9 日生效：目标是将欧洲的年度能源消耗减少 4 TWh。这是一个雄心勃勃的目标：它将通过规范各种家用产品和用于家庭环境的办公设备的功耗来实现。
该法规适用于内置电源的产品。配备低压外部电源的产品目前不包含在其范围内，但制造商应该预计到将来也会被要求遵守该法规，因为欧盟委员会可能希望为制造商之间的竞争提供公平的竞争环境。
法规中列出的设备类型包括厨房设备（例如烤面包机和微波炉）、白色家电、IT 设备（笔记本电脑等受特定生态设计法规覆盖的产品除外）、视听设备、玩具、运动器材以及包含电机的产品，如电动家具和床，以及电动百叶窗。完整列表可在欧盟 EUR-Lex 法律网站上找到。
能耗限制非常严格：关闭模式下最大为 0.5 W，两年后将降至 0.3 W。待机模式的限制各不相同。如果设备仅保留重新激活功能和指示灯，限制为 0.5 W。如果状态或信息显示处于活动状态，大多数产品的限制会提高至 0.8 W。
对于处于联网待机状态的产品，适用更高的限制。联网待机是指设备能够通过网络连接的远程启动触发器恢复某项功能。被归类为具有高网络可用性（HiNA）功能的产品（例如路由器和网关）在联网待机状态下的功耗不得超过 8 W。对于非 HiNA 产品，联网待机功耗应限制为 2 W。
解决高待机功耗的经济而简单的方法
确保符合 2023/826 号法规的策略应考虑整个系统的功耗，包括控制、接口和传感等功能。但节能的重要途径无疑是电源电路，而许多 OEM 降低待机功耗的最快和最简单的方法之一是消除通过 EMI 滤波器的 X 电容泄放电阻的持续功耗。
这些电阻器存在于许多家用电器和消费设备的电源中，以符合 IEC 60335-1 标准，这是一项针对这些产品的安全标准，规定电源的 X 电容器需要在设备关机后一秒钟内放电至 34 V 以下。
图 1 展示了典型的 EMI 滤波器。C1 和 C2 代表 X 电容；R2 确保在输入电压移除后 X 电容放电。X 电容的电容值范围从低功率转换器的数百纳法拉到高功率转换器的几微法拉不等。
举例来说，对于容差为 ±20% 且标称电容为2.2 µF的电容，其最大电容为 2.64 µF。输入电压最高为 264 V ac，即 240 V ac +10%。要在一秒钟内将电容放电至 34 V，需要一个 184 kΩ 的电阻。该泄放电阻将耗散 377 mW的功率。
图 1：在这个典型的 EMI 滤波器中，只要设备插入电源，泄放电阻 R2 就会持续消耗电流
这种电路配置几乎不可能符合新的待机功耗规定：只要设备插入电源插座，无论设备处于活动、静止还是关闭状态，377 mW 的功耗就会一直持续。
幸运的是，除非在 X 电容器需要放电时，很容易添加一个简单的集成电路来停止通过泄放电阻的功耗。例如，Power Integrations 的 CAPZero-2 或 CAPZero-3、Monolithic Power Systems 的 HF81 以及恩智浦半导体的 TEA1708T。
这些组件的设计都类似。它们由带有集成驱动器的 MOSFET、电压感应和其他电路组成，并与泄放电阻串联。在正常运行期间，当存在交流电压时，MOSFET 处于关闭状态，因此泄放电阻器断开，没有电流流过。当设备被拔掉、交流电压被移除时，MOSFET 会开启，将电阻器引入电路，从而放电 X 电容器。
图 2：典型的高压电机控制板，显示了 CAPZero-2 X 电容器放电电路
Monolithic Power Systems 进行的测试表明，使用 HF81 可以实现巨大的节能效果：测试结果发布在 HF81 的数据手册中，如图 3 所示。对于上文中 2.2 µF 的 X 电容器示例，使用 HF81 节省的电能将使泄放电阻的功耗降至 200 mW 以下，低到足以符合 2023/826 法规的要求。
此外，Power Integrations 和恩智浦规定其 IC 的功耗低于 5 mW。
图 3：将传统的X电容器放电电路替换为基于Monolithic Power Systems的HF81的电路实现的节能效果（来源：Monolithic Power Systems）
图 2 所示的解决方案提供了一种减少泄放电阻功耗的方法，这种方法可以作为对现有电源设计的经济且简单的改进，几乎无需更改BOM或电路板布局。
但是，对于新设计，OEM 可以选择包含集成 X 电容放电电路的新一代电源控制器。例如：
· Monolithic Power Systems 的 HR1275，一款具有多模式 PFC 和 LLC 功率级的组合控制器
· 恩智浦的 TEA2017，一款具有多模式 PFC 和 LLC 功率级的组合控制器
· 安森美的 NCP1618，一款多模式 PFC 控制器
· Power Integrations 的 HiperPFS-5，一款带有集成氮化镓（GaN） FET 的准谐振 PFC 控制器
· 意法半导体的 L4985，一款在连续传导模式下运行的 PFC 控制器
这些供应商正在创新产品设计，以在待机模式下节省更多电能。例如，当负载低于某个阈值时，许多产品会以突发模式工作，从而使电源控制和开关电路间歇性禁用。
新产品可以实现显著的改进：与前代产品 TEA2016 相比，恩智浦的 TEA2017 降低了低负载和静态模式下的功耗，如图 4 所示。
图 4：效率图显示，与 TEA2016（粉色曲线）相比，恩智浦最新的 TEA2017 电源控制器（红色曲线）在低负载下功耗更低
恩智浦评估板中采用了TEA2017DK1003，这是一款 600 W 离线AC-DC转换器，输出为 12 V， TEA2017 可使电源在 230 V AC输入下将空载功耗降低至 0.11 W。TEA2017 还为富昌电子欧洲电源设计中心开发的新 Lightning AC-DC转换器板提供主要的电源控制功能。有关 Lightning 板的技术信息可在 www.my-boardclub.com 上找到，该板提供 42 V DC输出，支持高达 240 W 的负载，工程师可以申请获取该评估板。
Power Integrations、安森美和意法半导体也提供评估板，展示了集成 X 电容放电的控制器如何符合 2023/826 法规。
Power Integrations 提供 DER-672，这是一款 220 W 评估板，采用了 PFS5178F（一款带 GaN FET 的准谐振 PFC 控制器，工作在非连续传导模式下），因此在 230 V AC电压下可实现 120 mW 的空载功耗。
安森美提供了 NCP13994MM360WGEVB，这是一款 360 W 评估板，其中 NCP1618 多模式 PFC 控制器与最新的电流模式 LLC 控制器 NCP13994 配合使用。在 230 V AC下，NCP13994MM360WGEVB 的空载功耗为 100 mW。
此外，意法半导体提供了 400 W 评估板 EVL400W-80PL，其中在连续传导模式下运行的 L4985A PFC 控制器在 230 V AC下实现了低于 150 mW 的空载功率。
元器件市场对待机法规合规要求的响应
本文介绍的 TEA2017 和其他新改进产品表明，元器件市场已准备好为电源设计人员提供各种解决方案，以应对最新欧盟法规规定的待机和关闭模式功耗的严格限制。
