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外部电源的能效标准

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  自从加利福尼亚能源委员会 (CEC) 于 2004 年实施第一个强制性标准以来,围绕外部电源能效和空载功耗立法的全球监管环境在过去十年中得到了快速发展。 美国能源部 (DOE) 出版的一套新要求将于 2016 年生效,当前局面届时必定将产生变化,因为各个监管机构都会设法进一步减少外部电源适配器的能耗。

  毋庸置疑,强制规定将提升外部电源的平均能效,对全球功耗的减少会产生切实的影响。 然而伴随着降低电网消耗带来的好处,由于需要努力适应不断变化的监管环境,电子行业也面临着一些挑战和不确定因素。

  对于将外部电源设计到其产品中的原始设备制造商 (OEM) 而言,他们必须持续密切关注最新的能效规范,以确保其产品符合所销售地区的规定。 本文旨在提供全球现行能效规范的最新总结。


  历史简述

  据估计,90 年代初期单是在美国,当时使用的外部电源数量就超过了 10 亿个。 这些主要使用线性电路技术的外部电源,能效低至 50%,在应用关闭或甚至未连接电源的情况(称为“空载”情况)下,依然存在功耗。 据专家计算,如果不采取措施提升能效并降低“空载”功耗,那么 20 年内,外部电源所消耗的能量将占到总能耗的 30% 左右。 1992 年,美国环境保护署启动了一项自愿性计划来提升能效并降低污染,这项计划最终成为了“能源之星”计划。 然而直到 2004 年,才第一次实施关于能效和空载功耗最低值的强制性规范。 下面的信息图描述了从加利福尼亚能源委员会 (CEC) 的 2004 规范发展到即将于 2016 年 2 月生效的全新 VI 级标准的过程。

  

CEC 规范标准演变图

  图 1:CEC 规范标准的演变。

  当前的监管环境

  图 1 的时间轴展示了过去十年中监管环境的变化过程。 由于部分国家和地区制定了更为严格的要求,并从自愿性计划过渡到强制性计划,因此原始设备制造商 (OEM) 必须密切关注最新发展趋势,以确保符合规范,避免遭受代价高昂的延误或罚款。 虽然许多国家或地区制定的自愿性计划经过协调,与最初由“能源之星”建立的国际能效标识协议系统保持一致,但以下国家和地区目前实施的相关强制性规范中规定,所有出入境的外部电源均须符合指定的能效等级:

  美国IV 级

  加拿大IV 级

  欧盟V 级

  虽然美国能源部已制定更为严格的 VI 级标准,不过该标准要到 2016 年才生效。 目前,V 级将达到甚至超过全球任何监管机构的要求。 电源制造商须按照 2013 年 9 月更新的外部电源国际能效标识协议 3.0 版的规定,在电源标签上注明罗马数字 V,以表示符合规范。 该“协议”的最新版本为标识的注明位置提供了更大的灵活性。

  

CUI 标识标签示例


  图 2:CUI 标识标签示例。

  尽管欧盟是目前全球唯一一个执行 V 级合规性标准的官方监管机构,但大部分外部电源制造商都已对其产品组合进行了调整,以满足这些要求。 OEM 需要为其发往全球的产品建立通用的电源平台,所进行的调整便是对该需求的直接响应。


  性能阈值

  下表概述了从过去至当前逐步确定的性能阈值。

  

表 1

  IEC 在其颁布的 AS/NZS 4665 第 1 部分和第 2 部分中,发布了国际认可的用于确定能效的测试方法。 确定能效等级所采用的方法是,在 4 个定义的点——即在额定输出功率为 25%、50%、75% 和 100% 时,测量输入和输出功率。 然后,分别报告 4 个点的测量数据,以及所有 4 个点的平均有效能效计算值。


  现行豁免条款

  并非所有外部电源均须符合同样的规范,美国和欧盟都规定了豁免条款。 美国国会在《2007 年能源独立和安全法案》(EISA 2007) 的第 301 条规定,部分类型的外部电源可享受豁免条款。 这些设备须符合以下条件:

  须为联邦食品药品监督管理局列入并认定为符合《联邦食品、药品和化妆品法案》(21 U.S.C. 360c) 第 513 条的医疗器械。

  为可拆卸电池组的充电器供电,或者为完全或主要由电机驱动的产品的电池充电。

  制造商为 2008 年 7 月 1 日之前生产的终端产品提供的维修零件或备件,且外部电源为主要负载。 用于此用途的电源的制造时间可在 2008 年 7 月 1 日之后。

  欧盟也制定了类似于美国的豁免条款。 医疗器械、电池充电器和维修产品的外部电源可豁免。 此外,低压 EPS 设备也可豁免。 低压外部电源是指,设备所带铭牌上的输出电压低于 6 V,输出电流大于或等于 550 mA 的外部电源。


  过渡到 VI 级

  包括 CUI 在内的电源制造商已做好准备向更严格的 VI 级标准过渡。 这一全新标准与现有适配器严格的规范一起,扩大了需要符合该标准的产品范围。 受监管的产品现在包括:

  多电压外部电源

  功率大于 250 W 的产品

  下表汇总了新的性能阈值:

  

表 2


  定义

  单电压外部 AC-DC 电源,是指将 AC 线路电压转换成 DC 低压输出,且一次只能转换至一个 DC 输出电压的外部电源。

  单电压外部 AC-AC 电源,是指将 AC 线路电压转换成 AC 低压输出,且一次只能转换至一个 AC 输出电压的外部电源。

  多电压外部电源,是指将 AC 输入线路电压转换成多个同步低压输出的外部电源。

  低电压外部电源,是指铭牌输出电压低于 6 V,铭牌输出电流大于或等于 550 mA 的外部电源。 基压外部电源,是指非低压电源的外部电源。


  直接与非直接操作 EPSS

  新标准还将电源定义为直接操作和非直接操作产品。 直接操作产品,是指无需电池辅助即可在其终端产品中直接工作的外部电源 (EPS)。 非直接操作外部电源 (EPS) 不是电池充电器,但需要在电池辅助下才可在终端产品中工作。 新标准仅适用于直接操作外部电源。非直接操作产品仍受到 EISA2007 中限制要求的约束。 美国能源部 (DOE) 提供的以下说明信息(图 3)可帮助区分直接操作电源与非直接操作电源:

  

确定直接与非直接外部电源的步骤图

  图 3:确定直接与非直接外部电源的步骤。

  VI 级豁免条款

  新的 VI 级要求还定义了 EPS 产品豁免条款。 如满足以下条件,直接操作 EPS 标准则不适用:

  须为联邦食品药品监督管理局依据《美国法典》第 21 篇第 360c 条列入并认定为医疗器械的设备;或者

  直接操作 AC-DC 外部电源的铭牌输出电压低于 3 V,铭牌输出电流大于或等于 1,000 mA,且为完全或主要由电机驱动的产品的电池充电。

  展望未来

  新要求的实施日期定在 2016 年 2 月 10 日,即新规定在《联邦公报》上发表的 2 年后。 需要注意的是,新产品自制造或进口到美国之日起将会被监督新标准执行情况,但在 2016 年 2 月 10 日前美国制造或进口到美国的旧款产品仍可发货。 标签要求必须符合与现行 V 级标准相同的《外部电源国际能效标识协议 3.0 版》中的规定。

  总体来看,预计其他国家将在不久后纷纷仿效此标准。 目前,欧盟现行的关于外部电源强制性《欧洲环保设计指令》正在修订讨论阶段,预计将与美国的大部分(如果不是所有)相关标准保持一致。 可以预计的是,现行能效规范与美国相关规范一致的国家或地区,包括加拿大和澳大利亚,也将与新标准保持一致。


  总结

  据美国环境保护署 (EPA) 估计,过去十年实施的外部电源能效规范帮助减少了 320 亿千瓦能耗,每年节省资金达 25 亿美元,每年减少的 CO2 排放量超过 2400 万吨。 现在许多 OEM 不仅仅是达到政府的强制性规范,他们还开始追求使用“更绿色节能”的电源,旨在实现终端产品的差异化,促进能效的持续提升,甚至推动控制技术的实现,在某些情况下,可彻底消除空载功耗。 2014 年下半年,CUI Inc 开始推出符合 VI 级规范的适配器,让客户提前体验了符合新规范的产品。 CUI 致力于不断向前发展,努力寻找方法将最新的节能技术应用于外部电源,以满足市场需求以及所有现在和未来的规范。 Digi-Key 在其网站推出了各种符合 V 级和 VI 级规范的电源,并提供多种符合 VI 级规范的设备。