为物联网供电：下一代外置电源将有助于促进能耗减少

随着数十亿的“物品”即将连接到互联网，节约功耗显得至关重要。不仅自供电或电池供电传感器需要节能，通常由交流线路供电的网关等设备也不例外。本文讨论即将发布的关于外部 AC/DC 电源适配器的 VI 级能效规范，以及满足新标准，并有助于促进降低 IoT 应用整体功耗所需的设计更改。

简介：传感器的供电电源

物联网 (IoT) 一词会让人联想到无所不在的、由微型传感器构成的网络，那些传感器可能正在监视着空气质量或水质，交通流量或工业生产过程，以及我们的家居环境或身体健康状况。 这些传感器通常被设想为超低功耗设备，终身依靠小型钮扣电池、太阳能板或者其他微型能量采集子系统工作。 因此，就其自身能量需求而言，这些设备被认为可带来巨大的经营效益，而对环境则产生极小的影响。

据估计，所连接的传感器数量几年之后将超过万亿，实现 IoT 的视觉、听觉和触觉功能。 不过，它们不大可能直接连接到互联网。 Wi-Fi 或以太网连接不宜集成到小型电池供电或自供电 IoT 端点中，那样做成本高昂，功耗过大。

在诸多工业或民用传感器网络应用中，连接到互联网通常要通过集线器或 IoT 网关，在传感器与互联网之间架起联系的桥梁。 这样，网关会根据智能蓝牙或双线连接等标准对传感器执行非 IP 接口，也作为以太网端口或 Wi-Fi 接口的主机，使其连接互联网。 通过互联网，网关能够实现传感器与云服务等集中管理器之间的数据双向传输。 传感器数据的基本处理也通常在网关本地执行，随后结果将传输至云端。 图 1 概述了 IoT 网关的基本功能

图 1：需要通过 IoT 网关将低功耗、非 IP 传感器连接到互联网。

据预测，未来 4 到 5 年将会有 500 亿个诸如 IoT 网关这样的设备连接到互联网。 管理各种网关功能，包括多传感器接口、互联网连接和嵌入式处理等，都需要电力，这就意味着设备需要插入主电源或者经常充电。 不久的将来，随着如此多的设备连入互联网，电力需求会显著增加，不论是来自离线电源还是充电电源。

电源能效标准

连接电网的电子设备数量大幅增长已不再是新鲜事。 至少自进入消费者电子产品时代以来，大幅增长所带来的影响一直是科学家们的关注重点。 美国消费电子协会的数据显示，在 20 世纪 70 年代，美国一般家庭通常拥有一台电视机，可能还会有一台洗衣机，而如今每个家庭的电子产品拥有数量已上升至 24 件。 其中包括多台电视机、PC、平板电脑、智能手机、打印机、游戏控制台等其他电器，这些设备可能配备内部电源，也可能通过适配器或外置电源 (EPS) 来工作。 到了上世纪 90 年代，仅美国使用的外置电源 (EPS) 数量就超过了 10 亿个。

图 2：90 年代初，有研究预测，如果不采取相关措施，在 20 年内外置电源空载功耗将占美国用电总量的 30%。

我们都知道，用户通常没有在电器关闭或连接断开后拔下插头的习惯，有鉴于此，对用户浪费“幻象电源”或“空载电源”的担忧开始增加。 1998 年，加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室 (LBNL) 的 Alan Meier 在研究中估计，美国居民用电中约有 5%，价值大约 30 亿美元的电能是被待机设备的电源所浪费。 结果当然是导致能源价格上涨，更多地担忧过度消耗能源对环境造成损害。

为应对上述难题，2004 年，加利福尼亚州能源委员会施行了全球首部关于外置电源的能效法规。 继而，全球大部分市场，包括整个美国、加拿大、欧洲和澳大利亚纷纷效仿。 最终，这些法律经过协调统一，形成了外置电源《国际能效标识协议》。 这一过程经过了几代人的努力，对空载功耗和最低平均工作效率的限制规定日益严格。 如今，在美国和加拿大销售的所有外置电源都必须符合该协议的 IV 级能效规范，其铭牌上必须贴有罗马数字 IV 标签。 欧盟目前施行的是更为严格的 V 级能效规范。

2014 年，美国能源部 (DoE) 宣布，2016 年 2 月 10 日之后在美国制造和销售的所有外置电源必须符合更高标准的 VI 级能效规范。 尽管尚无任何机构宣布其最终标准，但历史规律表明，不用多久，欧盟及其他国家有关当局会将其能效要求提高至 VI 级。

鉴于 IoT 应用将呈爆炸式增长这一预期，外置电源的 VI 级能效规范可对环境提供有效保护，防范即将要连接到电网的海量 IoT 网关所带来的影响。 全球的原始设备制造商 (OEM) 需要和最新法规与时俱进，这点很重要。

电源设计选择

内部电源不受《国际能效标识协议》的约束。 在设计中纳入内部电源而非 EPS，或许无需遵循该法规。 不过，其他法规也可能适用，比如能源之星评级系统或欧盟关于能源相关产品 (ErP) 的环保设计指令 2009/125/EC。 而且，设计定制的内部电源或集成第三方模块，可能也超出了设计人员的经验范围。 此外，内部电源还会增加产品的重量和体积，而需要更大的外壳。

现成 EPS 提供的解决方案快速而方便，可符合适用的法规。2014 年底，CUI 开始在其 EPS 系列中推出 VI 级规范产品，以满足后续法规要求。 EPS 制造商通常会调整产品组合来满足最高的强制性标准，这样，OEM 客户可在运往多个出口市场的产品中，搭配一款通用型电源，以最大化运营效率和减少供应链错误。

VI 级能效规范

VI 级规范协议明显要比过往协议复杂。 其中将电源划分为了五大类别， 包括：

• 单电压外部 AC/DC 电源（基本电压）
• 单电压外部 AC/AC 电源（基本电压）
• 单电压外部 AC/DC 电源（低电压）
• 单电压外部 AC/AC 电源（低电压）
• 多电压外置电源的输出功率最高为 49 W

注：低压电源的输出电压小于 6 V，输出电流大于 550 mA。 基本电压电源指非低电压电源。 除此之外，VI 级规范首次对功率超过 250 W 的单电压电源作出了法律规定。

相较于针对备用电源的 V 级能效规范，VI 级能效规范对可允许的最大功率进行了下调，从 0.3 W（对于标准电压 EPS，最高为 49 W）下调到了 0.1 W（对于单电压 AC/DC 电源，额定功率范围是 1 W 至 49 W。新颁布的平均能效要求也是严苛如以往。 图 2 显示了相较于类似的 III、IV 和 V 级能效规范，VI 级规范基本电压 AC/DC 电源平均能效的提升情况。

图 3：VI 级规范规定的平均能效阈值高于 III 至 V 级规范的规定值。

通过设计满足 VI 级规范要求

设计符合满足更高新标准的 EPS 是一项严峻的挑战。 相较于 CUI 的 V 级规范电源，VI 级规范电源在初级和次级电路的几乎每个方面均有所更改。 这些更改包括在设计中纳入最新的控制 IC，以支持改进后的轻载工作模式：正常工作时，新型控制器以与 V 级规范产品同样的开关频率 65 kHz 进行工作，但在轻载和空载时会更改至 22 kHz，以降低功率损耗、提高能效。 次级反馈电路中的电容和电阻值经过重新优化，可减轻开关频率较低、纹波和噪声较多时带来的影响。 控制 IC 还利用新技术减少静态功耗，这会进一步有益于满足更为严苛的最高空载功耗限制要求。

低压/高电流 VI 级规范电源中的次级电路采用 MOSFET 并增加一个控制 IC，将其由简单的二极管整流变为同步整流。 此外，更大电阻值和其他元件的更改（比如增大线规）将有助于减少内部功率耗散。 不仅如此，导通电阻更低的较新 MOSFET 有助于提升较大负载时的能效。

另一方面，主电源电路的布置和现有 V 级规范的装置基本无异。 额定功率低于 120 W 的装置采用 CUI 成熟的反激式设计，而额定功率高于 120 W 的适配器则采用 LLC 谐振拓扑。 值得注意的是，VI 级规范电源的平均能效提高后，也有助于降低典型工作温度，从而提升可靠性。 在 IoT 应用中，对于通常需要在现场长时间工作，只需很少或不需要维护的设备来说，这是特别重要的有利因素。

结论

可以预见，IoT 将为工业、环境、生态和生活质量带来大量且广泛的益处。 另一方面，预期的大量部署会引起新型网络集线器和网关的出现，数量庞大且必须由交流线路供电。 最新的 VI　级规范标识协议将于　2016 年 2 月在美国强制施行，满足该协议的新型外置电源可提升平均能效，降低空载功耗，从而有助于补偿增加的电力需求。

有关 Digi-Key 中 CUI VI 级规范产品组合的详细信息，请访问 VI 级规范电源页面。