了解并提高电源适配器效率、EMC 性能

[导读]电源适配器必须能够安全使用并将用户与致命的交流电源电压隔离。适配器或外部电源还不得在使用和空载模式下产生不必要的功耗，从而破坏环境。此外，它们不得通过传导或辐射电磁发射损坏或干扰其他设备。

电源适配器必须能够安全使用并将用户与致命的交流电源电压隔离。适配器或外部电源还不得在使用和空载模式下产生不必要的功耗，从而破坏环境。此外，它们不得通过传导或辐射电磁发射损坏或干扰其他设备。

标准也适用于这些考虑因素，有些是强制性的，有些是自愿的。申请和使用国家也需要审查。同样，电源适配器必须具有国际标准中规定的传导和辐射发射抗扰度，并指定不同级别，代表不同的最终使用环境。

本文总结了适配器效率和空载/待机损耗的要求。它还解释了目前在美国、欧洲和世界其他地区适用的标准。电磁兼容性 (EMC) 标准也需要考虑;同样，存在地区和应用差异。例子包括符合国际标准并适合世界各地市场的产品。

了解电源适配器效率

在理想的情况下，电源适配器应该是 100% 节能的。然而，电力转换过程(无论是从交流电到直流电还是从直流电到直流电)都涉及到许多分立元件的使用，其中一些元件会产生能量损失。通常，在任何开关模式电源设计中，总体损耗都是由多个不同部件上的大量少量损耗引起的。用于开关的电感器和半导体会造成损耗，但绝不是唯一的组件。

电力电子设计人员可以通过输出功率除以输入功率来计算交流/直流电源适配器的能效，并将结果显示为百分比。例如，如果适配器在 4 A 电流下提供 12 V DC的满载输出，则相当于 48 瓦输出。在交流输入方面，假设功率因数为 1，则 220 V交流电和 0.25 A 电流可提供 55 瓦的输入功率。因此，电源适配器的效率为 87%。

在此示例中，输入和输出功率之间的差异导致需要消散 7 瓦的废热。废热是电源适配器设计中的一个重要因素。首先，适配器的环境温度会对组件可靠性产生负面影响。电源适配器的效率越高，散发的废热就越少，因此适配器在运行过程中就越可靠。组件可靠性的提高可延长适配器的使用寿命。

此外，保持电源适配器的高效率意味着不需要风扇辅助冷却，并且仅通过传导冷却即可消除产生的废热。在选择交流/直流电源适配器时，设计工程师会找到适配器数据表中引用的能效等级。

电源适配器效率的另一个考虑因素是它不是静态的。任何转换电路的功率效率都会随着施加在其上的负载的变化而变化。通常，适配器输出上的功率负载越低，功率转换过程的效率就越低。效率还取决于输入交流线路电压，因此检查数据表以了解其可以适应的交流输入范围至关重要。

此外，工作温度会影响效率，并且一些适配器会随着温度升高而降低其最大功率输出。对于产品设计工程师来说，了解最坏情况下的效率等级至关重要，以防需要任何额外的冷却方法。

能源效率标准

随着能源使用成为全球关注的焦点，人们更加关注电源适配器的效率。能源效率立法首次出现于 2004 年，当时加州能源委员会 (CEC) 制定了第一个正式的能源效率标准。现在，世界上大多数地区都有强制性能源效率标准，规定任何电源或适配器所需的最低效率水平。在某些情况下，某些国家/地区采用了美国或欧洲标准，而不是制定单独的立法。

自 CEC 最初规范以来，允许的效率限制已经进行了多次迭代。美国目前的标准是能源部 VI 级 (DoE Level VI)，而在欧洲，自 2020 年 4 月 1 日起，它受到 Ecodesign 2019/1782 指令的涵盖。这些标准不仅适用于电源适配器，还适用于包括电源适配器和最终产品的整个系统。

多年来，人们越来越关注供电产品处于待机模式时消耗的能量。人们通常认为待机模式(也称为空载条件)下的功耗相对较小，但不幸的是，情况往往并非如此。一般来说，DoE VI 级标准和 Ecodesign 2019/1782 标准相似，但有一个例外。 Ecodesign 2019/1782 要求在 10% 平均负载条件下测试效率(图 1和图 2)。

图 1概述了单电压外部交流/直流电源适配器的美国能源部 VI 级能效参数。

欧洲行为准则(CoC)Tier 1标准于2014年引入了10%负载功耗限制，其要求比DoE VI级规范要求宽松。 Ecodesign 2019/1782 标准于 2020 年 4 月成为法律，符合 DoE VI 级平均主动效率要求，尽管它不如仍然有效的 CoC Tier 2 标准严格。 Ecodesign 包括 10% 负载效率测试，但没有强加要求。

图 2欧洲 CoC Tier 2 规范概述了严格的能效要求。

提高电源适配器效率

最近的半导体工艺技术进步正在帮助电源设计工程师提供更高效的电源适配器。正如本文前面提到的，电源适配器效率损失的主要来源之一是开关晶体管。现在可以使用基于碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等宽带隙 (WBG) 半导体材料的开关晶体管。

基于 WBG 的晶体管除了表现出明显更高的击穿电压外，其开关和传导损耗也比硅晶体管低得多。使用 GaN 基半导体还可以带来更多好处，允许转换过程在更高的开关频率下运行。提高开关频率意味着一些体积较大的元件(通常是电感器)的尺寸可以显着减小。

使用 GaN 开关晶体管的电源适配器的一个示例是SDI200G-U桌面外部电源适配器。它可以持续提供 200 瓦的输出功率，并且能效等级为 95%，符合 DoE VI 级和 CoC Tier 2 能效规范。与硅基电源适配器相比，SDI200G-U 桌面适配器的开关频率有所提高，尺寸减小了一半，重量减轻了 32%。

EMC 和 EMI 考虑因素

另一组国际标准规定了电源适配器可能产生的最大电磁辐射水平。在任何开关模式电源或适配器中，大部分电磁噪声发射都来自开关电路。发射分为两个不同的类别：传导和辐射。

当电磁噪声沿着连接线传播到直流输出而离开适配器时，就会发生传导发射。因此，意外发射可能会干扰适配器供电的产品的正常运行。此类发射通常是 10 kHz 至 30 MHz 范围内的低频。在 30 MHz 以上，适配器的内部导体充当天线，导致不需要的噪声信号的辐射。

电源适配器需要符合相关的EMC标准。随着家庭、办公室和汽车中电子设备和装置数量的增加，对电磁合规性测试的需求也越来越大，以便一台设备不会干扰或破坏另一台设备的运行。

在美国，联邦通信委员会 (FCC) 第 15 部分标准规定了传导和辐射电磁干扰 (EMI) 的限制。在欧洲，适用与 FCC 第 15 部分一致的 CISPR 32 标准。两者都定义了 A 类和 B 类设备的限制。 A 类涵盖了用于商业和工业场所的各种设备，B 类涵盖了用于住宅环境的设备。

图 3显示了欧洲 CISPR 32 传导和辐射杂散发射的场强限制。