1739
我們在選擇電源時，經(jīng)常是只看數(shù)據(jù)表上的效率值，而制造商也在竭盡所能地提高這個數(shù)字，包括更謹(jǐn)慎地定義測量條件。設(shè)計人員正在提出更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如相移全橋 (PSFB) 和LLC轉(zhuǎn)換器，而在組件級別，用MOSFET取代二極管以降低損耗。即便是硅材料，也面臨著挑戰(zhàn)，因為碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬禁帶 (WBG) 材料即使在高開關(guān)速度下也能增強(qiáng)性能。
電源數(shù)據(jù)表上的具體效率數(shù)字對最終用戶的意義相對較小。用戶更關(guān)心的是系統(tǒng)或流程效率，以及能否滿足（或超過）其環(huán)保要求和財務(wù)目標(biāo)。人們越來越意識到，在系統(tǒng)的整個生命周期內(nèi)，支持環(huán)保（和控制成本）比數(shù)據(jù)表上的電源效率數(shù)字更重要。由于不動產(chǎn)的購買和維護(hù)都需要花錢，因此他們更傾向于在房間內(nèi)放置盡可能多的創(chuàng)收設(shè)備。所以對他們來說，功率密度通常比電源效率更有價值。
本文詳細(xì)介紹了功率密度和電源效率，并說明了提高電源效率與購買高性能電源解決方案并最終負(fù)責(zé)任地處置它們所需的成本。作為對比，還介紹了提高功率密度與系統(tǒng)效率的方法。另外本文還說明了是否應(yīng)該關(guān)注熱管理，而不是整體電源轉(zhuǎn)換效率。
效率的概念
效率是一個很容易理解的概念：但你確定越接近100%，就越好嗎？ 其實這完全取決于你如何看待效率；在辦公室或數(shù)據(jù)中心，沒做任何有用的工作（從物理意義上來說）— 沒有大型機(jī)器被移動 — 所以我們可以認(rèn)為這些地方的效率為0%，因為所有使用的電力最終都會在計算機(jī)、服務(wù)器、存儲設(shè)備和電源轉(zhuǎn)換中變成熱。
但是，如果你比較收入效率（即電力的美元價值與美元收入之比），那么效率可能會達(dá)到1000%。因此，為了業(yè)務(wù)績效和成功，目標(biāo)應(yīng)該是通過減少每個輸出裝置的用電量來盡量降低電力成本。
每個數(shù)據(jù)中心經(jīng)理都面臨著增加處理和存儲容量以及創(chuàng)收和擴(kuò)大利潤的挑戰(zhàn)。為此，他們必須控制電力成本，并確保所做的收購快速回本。隨著服務(wù)器的增加，電力成本（以及賺錢能力）的上升，收入與成本之比部分取決于設(shè)備的選擇。
在工廠中，再增加一臺強(qiáng)大電機(jī)的唯一正當(dāng)理由是產(chǎn)生更多的可銷售輸出，因此電機(jī)驅(qū)動器和相關(guān)電源只是間接成本，不會增加任何商業(yè)價值。所以，與電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)相關(guān)的所有運(yùn)營費(fèi)用（包括電力）都被視為對利潤的消耗。效率很重要，但僅在使用盡可能少的電力完成必要工作的前提下。
損耗在任何地方都很重要
電子設(shè)計會用到很多公式（例如，效率等于功率輸出除以功率輸入，以百分比表示，損耗等于功率輸入減去功率輸出）。但是，這些公式要在功率水平以及操作和環(huán)境條件之類的背景下才有意義。即使有定義好的公式，電源制造商也可以選擇最佳條件，讓效率看起來比現(xiàn)實條件下更高。
通常情況下，效率是在接近滿載時測得的，但很少有系統(tǒng)（特別是在冗余應(yīng)用中）在任何時段內(nèi)都以這種狀態(tài)運(yùn)行，遠(yuǎn)離“最佳點”，效率就會低很多。一般來說，效率在趨向零負(fù)載時會顯著下降，并且每個電源的情況都有所不同。因此，服務(wù)器空閑時消耗的能量可能會相差一個（或多個）數(shù)量級。
圖1中，在5%負(fù)載下，藍(lán)線表示的轉(zhuǎn)換器的能耗速度是橙線表示的轉(zhuǎn)換器的三倍以上。在選擇產(chǎn)品時，輕負(fù)載損耗應(yīng)該是關(guān)注的重點，因為它們對總能量消耗有顯著影響。
圖1：不同電源呈現(xiàn)出截然不同的低負(fù)載效率。（圖源：貿(mào)澤電子）
業(yè)界認(rèn)識到低負(fù)載效率的重要性，已經(jīng)制定了諸如“80 PLUS”倡議（表1）之類的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了整個負(fù)載范圍內(nèi)的最低效率。80 PLUS鈦金是最嚴(yán)的規(guī)格，要求在50%負(fù)載下至少達(dá)到94%的效率，在10%負(fù)載下至少達(dá)到90%的效率（基于115V系統(tǒng)）。對于230V系統(tǒng)，50%負(fù)載下效率要求變?yōu)?6%，而10%負(fù)載下效率要求仍為90%。
表1：115V系統(tǒng)的80 PLUS要求概覽。（圖源：貿(mào)澤）
滿足80 PLUS的要求具有一定的挑戰(zhàn)性，特別是在2004年制定認(rèn)證計劃后引入的更高級別?；炯墑e要求在50%負(fù)載下效率達(dá)到80%，而達(dá)到鈦金級別（94%的效率），意味著損耗要減少四分之三。
效率提高14%，但1kW電源轉(zhuǎn)換器需要將損耗從250W降低到64W。顯然，僅靠調(diào)整現(xiàn)有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或設(shè)計無法實現(xiàn)這一目標(biāo)，而業(yè)界已經(jīng)采取了創(chuàng)新的方法。例如，二極管已被同步驅(qū)動的MOSFET所取代。此外，還引入了PSFB和LLC諧振拓?fù)鋪硐拗?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1521715.html">開關(guān)損耗，新的WBG材料允許在提高開關(guān)頻率的同時降低損耗。
由于許多轉(zhuǎn)換器需要兩級轉(zhuǎn)換（例如，功率因數(shù)校正 (PFC) 和DC-DC），因此每個部分的效率要求更高。輸入電源橋式整流器已從四個二極管變?yōu)镸OSFET網(wǎng)絡(luò)，從而提高了PFC級效率。
由于這些技術(shù)比較新，因此可能很昂貴，而且因為沒有經(jīng)過多年的現(xiàn)場驗證，因此在可靠性上存在一定的風(fēng)險。盡管如此，對更高效率的追求依然存在，正在朝著99%甚至更高的方向發(fā)展。
1%：一點還是很多？
隨著效率越來越高，每一次很小的提升都變得更加困難。效率從97%提高到98%需要將損耗減少三分之一。更艱難的是，從98%提高到99%意味著需要將損耗再減少一半。
這50%的減少幾乎肯定需要基于更復(fù)雜的技術(shù)和高價組件進(jìn)行全面重新設(shè)計，這會增加大量的設(shè)計時間和風(fēng)險。1kW電源在98%?的效率下功耗為20.4W；將效率提高到99%，損耗需要降至10.1W（圖2）。功耗僅節(jié)省10.3W，隨著時間的推移，最終的BOM成本卻要增加很多。
圖2：1kW電源轉(zhuǎn)換器的損耗與效率對比。（圖源：貿(mào)澤電子）
你可以說所有的能源節(jié)約都是值得的，但如果從更大的視野來看，這不一定完全正確。在美國，該行業(yè)每千瓦時成本約0.165美元。對于1kW電源來說，在五年使用壽命內(nèi)100%正常運(yùn)行時間下，功耗減少10.1W可節(jié)省約73美元，但負(fù)載功率的成本超過7，300美元。
除了廢棄設(shè)備的處置成本外，在獲取、購買和鑒定新電源方面還有很多管理成本。另外相關(guān)改變所帶來的風(fēng)險也有一定的成本。任何分析都很難表明節(jié)省的73美元可以抵消所有這些成本，除非（可能）是在使用數(shù)千個此類電源的裝置中。單純追求效率通常不是可靠的商業(yè)戰(zhàn)略。
我們應(yīng)該擔(dān)心熱量嗎？
企業(yè)對來自電源的熱量需要擔(dān)心的程度取決于電力的來源。如果是終端設(shè)備和暖通空調(diào)系統(tǒng)使用的化石燃料（如煤、氣），那么就會對全球氣候變暖和污染產(chǎn)生影響。根據(jù)分析，即使是“清潔”的核電站也會將熱量排入大氣中，因為它們的熱效率通常約為33%。
提高效率顯然是一件好事，但即使在世界上炎熱的地區(qū)，也會在鍋爐、淋浴器、浴缸、洗衣機(jī)、烘干機(jī)等設(shè)備中產(chǎn)生熱量。設(shè)計師努力節(jié)省幾十瓦，而有人在隔壁大樓里運(yùn)行數(shù)小時功率為幾千瓦的烘干機(jī)，這在直覺上好像有點違和。為了解決這種異常情況，熱電聯(lián)產(chǎn)計劃或熱電聯(lián)產(chǎn) (CHP) 可以收集和引導(dǎo)工業(yè)廢熱在當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)加以利用。
一個早期的例子是托馬斯·愛迪生在1882年建立的第一個珍珠街站發(fā)電廠。IBM在紐約雪城大學(xué)建造的數(shù)據(jù)中心也使用了類似的原則，雖然這些原則還不普遍，但可以在工業(yè)中使用。由于運(yùn)營商傾向于將數(shù)據(jù)中心遷移到可以使用環(huán)境空氣進(jìn)行冷卻的較冷地區(qū)，因此熱量（如果正確引導(dǎo)）可能非常有用 — 特別是在水力發(fā)電或地?zé)岚l(fā)電便宜的地方（例如挪威或冰島）。
熱影響可靠性
降低電源損耗是值得的，因為這會降低內(nèi)部溫度并改善預(yù)計壽命和可靠性。但是，這僅在外殼和冷卻不變的情況下才有意義。從各種公式可以看出，環(huán)境溫度每升高10oC，電子設(shè)備的使用壽命就會減半。此外，許多可靠性手冊也會告訴你，在溫度升高的情況下，半導(dǎo)體故障率會增加約25%，電容器故障率增加約50%。
現(xiàn)代技術(shù)一般非?？煽磕陀?。即使有這些數(shù)字，可靠性仍然很高，但我們應(yīng)該認(rèn)識和理解熱效應(yīng)。業(yè)界通常會努力將數(shù)據(jù)中心的入口溫度保持在21°C左右，但英特爾和其他公司的研究表明，溫度增加不會對系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生重大影響。APC引用美國供暖和空調(diào)工程師協(xié)會 (ASHRAE) 的一份報告預(yù)測，如果進(jìn)氣溫度上升20–32°C (68–90°F)，設(shè)備整體故障率會增加1.5倍（圖3）。
圖3：入口溫度如何影響可靠性。（圖源：貿(mào)澤電子）
據(jù)說數(shù)據(jù)中心允許的溫度每升高一攝氏度，就會降低約7%的相關(guān)冷卻成本，允許設(shè)備在（稍微）高一點的溫度下運(yùn)行，對運(yùn)營支出來說是一個真正的好處。
較新的WBG材料可以耐受比硅材料更高的結(jié)溫，因此這些材料成為了在高溫下運(yùn)行設(shè)備（尤其是高頻電源）的推動因素。
功率密度是關(guān)鍵
通?？梢酝ㄟ^降低開關(guān)速度來提高效率，但這意味著更大的無源元件和更大的電源轉(zhuǎn)換器。雖然隨著溫度的降低，這可以提高可靠性，但它是以空間為代價的，這帶來了系統(tǒng)級的挑戰(zhàn)。
運(yùn)行溫度更高允許系統(tǒng)工程師將更多功能集成到給定的機(jī)柜中，無論是在數(shù)據(jù)中心還是在工業(yè)中，標(biāo)準(zhǔn)尺寸的外殼幾乎總是裝有電機(jī)驅(qū)動器和PLC。
外形尺寸更小的新型高性能電源轉(zhuǎn)換器不需要額外的機(jī)柜，使用現(xiàn)有機(jī)柜就可以降低成本（和空間）。由于地皮昂貴，因此通過節(jié)省空間可以實現(xiàn)切實的收益，特別是如果該空間可用于創(chuàng)收設(shè)備。
結(jié)語
電源選擇不應(yīng)僅基于效率數(shù)據(jù)。系統(tǒng)或流程效率、環(huán)保要求和財務(wù)目標(biāo)等因素更加重要。雖然制造商努力通過先進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和材料來提高電源效率，但最終用戶優(yōu)先考慮的是功率密度而不是效率，因為這使他們能夠在有限的空間內(nèi)最大限度地利用創(chuàng)收設(shè)備。低負(fù)載效率至關(guān)重要，80 PLUS倡議等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)解決了這方面的問題。實現(xiàn)更高的效率水平變得越來越具有挑戰(zhàn)性，成本越來越高，回報卻越來越少。對效率的關(guān)注應(yīng)與總體成本、可靠性和環(huán)境影響相平衡，并要考慮采購、處置和熱管理等因素。功率密度至關(guān)重要，允許在有限的空間內(nèi)集成更多功能并降低成本。總之，綜合考慮各種因素的整體方法對于做出明智的電源決策非常必要。
作者簡介
Mark于2014年7月加入了貿(mào)澤電子，此前他曾在RS Components擔(dān)任高級營銷職務(wù)。在加入RS之前，Mark在Texas Instruments擔(dān)任了8年的應(yīng)用支持和技術(shù)銷售職位，并獲得了考文垂大學(xué)的電子工程一級榮譽(yù)學(xué)位。
下載ECAD模型
