超低待機功耗充電器和適配器電源的最新規範

手機設備充電器效能分級制度的規格要求如圖一

在數世紀來毫無節制的浪費後，人類終於不得不正視全球暖化對大自然帶來的巨大改變，誠如聯合國秘書長潘基文(Ban Ki-moon)所指出：「『終結赤貧、保證繁榮共用、保護自然環境』是聯合國全球永續發展小組(Global Sustainability Panel；GSP)為永續發展所提出呼籲。」其中，「保護自然環境」的具體實踐之一，即是目前世界各國已然發起的各項排碳節能計畫。

而手機及行動裝置的充電器及適配器全球的銷售量在目前歐美經濟不振的陰影下卻仍然有增無減。根據外國知名市場研究公司Canalys今年年初發佈的2011年第四季度全球智慧手機和PC出貨量報告指出，該季智慧手機總計出貨量為1.585億台，2010年同期為1.012億台，同期成長57%；PC市場2011年第四季度的出貨數量為4.146億台，與2010同期相比成長15%，相對應的充電器及適配器出貨量的成長更是想當然爾的事。

但一般人未以查覺的是這些應用在不知覺中浪費的耗電總量其實相當驚人，若能一定程度的重視此區塊，定能對排碳救地球貢獻一分力量。本文即是針對手機及行動裝置充電器及適配器的待機功耗改善現況及發展進行介紹。

無所不在的待機功耗

實情(一)據估計，澳洲每年待機功耗的耗電成本是9億5仟萬美元，佔全年總耗電量的百分之10。
實情(二)全世界筆記型電腦的待機總耗電量是多少呢？假設每位筆記型電腦的使用者一年365日均將適配器插在電源插座上不拔下，全年將損耗8億7,600萬度的電，也就是43億台幣。備註：根據法規要求筆記型電腦耗電量需小於0.5瓦。
實情 (三)全世界手機的待機總耗電量是多少呢？假設每台手機的使用者一年365日均將適配器插在電源插座上不拔下，那麼全年將損耗39億4,200萬度的電，也就是197億1,000萬台幣。備註：目前較流通於市面的手機其平均耗電量約0.3瓦。

手機充電器的待機功耗法規

制定手機充電器待機功耗相關規定的單位很多，法規修文也不一而足，大部分更是屬於良心勸說並無強制性。歐盟委員會的整合性產品策略(IPP)計畫提出希望手機製造商能將空載待機功耗控制在30毫瓦以下。根據此一願景，世界五大手機制造商自發性地提出「手機設備充電器效能分級制度」，此一制度也提供了一個讓消費者輕易區分出最節能的充電器產品的參考。目前採用此分級制度的產品包含諾基亞、三星、索尼愛立信、摩托羅拉以及LG當前銷售的所有充電器機型。依充電器待機耗能的表現被劃分效率最高的五星級到最耗能的零星級。

適配器的待機功耗法規─能源之星

談到節能就一定要提到「能源之星」對於單組輸出適配器的諸多要求，其中之一即是針對空載待機功耗的規定。當最大輸出功耗為50瓦以下時，其空載待機功耗需≦0.3瓦；如果最大輸出功耗是介於50~250瓦之間時，其空載待機功耗需≦0.5瓦。該項法規已於2008年11月1日生效。但其實目前實務上適配器的待機節能表現已遠遠超越能源之星此項要求了，例如最大輸出功率50項的適配器，其空載待機功耗已可低於0.1瓦。

歐盟最新的電源相關產品之待機功耗要求─ERP lot 6

「能源之星」目前只針對適配器的空載待機功耗有明確規定，但對輕載或極輕載的輸入功耗並無任何著墨，是以歐盟即針對此項不足提出ERP lot 6。其主要內容是要求極輕載時的輸入功耗需小於0.5瓦，通常極輕載本身的功耗約為0.25瓦(依製造商不同而略有些微差異)。這項法規雖也不具強制性但已確定將於2013年1月份正式採用 ，大部分的電源供應商也努力希望能在2012年上半年提出符合該法規的因應方案。

降低手機和行動裝置適配器待機功耗的挑戰

大部分的電源IC供應商都知道許多降低空載及輕載時輸入功耗的方法，比如，降低開關的頻率、使用跳頻(cycle skipping)或使用叢式降頻(burst mode)，但是對於回授電路及電源IC本身的功耗並無很大的進展。通常他們都受限於IC的敏感度及最低操作電流，例如，5瓦充電器的空載待機功耗很難做到低於100毫瓦，更遑論低於30毫瓦。其困難點如下：
1.大部分電源IC的供應電流約≧1毫安培，所以，光電源IC本身就至少耗損30~50毫瓦。
2.光耦合器需耗損15毫瓦以上。
3.回授回路可能約需耗損20~30毫瓦，否則電源IC將無法正確偵測輸出端的實際狀況。
4.原邊反饋的假負載可能耗損10毫瓦以上。

減少待機功耗及提高功率的解決之道

輕載時的開關損失會高於導通損失(conduction losses)，故若能儘量降低開關損失是很有效率的作法(參考圖三)：

線性降頻、跳頻及叢式降頻也都經常被採用。圖四即為使用恩智浦 TEA 1738來節能的典型實例：

另一款恩智浦提出的充電器節能解決方案TEA1721及TEA1723，亦是箇中經典代表。此兩款IC充份運用了線性降頻及叢式降頻來降低中載及輕載時的耗電量。其重要工作模式如下：
─ 其叢式降頻的頻率可經由不同的料號設定為400Hz ~1850Hz，所以5瓦充電器的空載功耗將可低於10毫瓦。
─ 當負載低於5%的滿載時，叢式降頻將被啟動，而且因為其產生的開關頻率小於3KHz，已超過一般人耳聽力的範圍，所以也不會有噪音問題。
─ 其它時候的操作頻率會高於22.5KHzIn、低於51.5KHz，所以一樣能達到節能及減少噪音的目標，其詳細操作模式如圖五所示：

圖五中各縮寫的定義如下：
CVB : constant voltage with burst mode
CVC: constant voltage with current mode
CVF: constant voltage with frequency mode
CP : constant power
CCF: constant current with frequency mode
CCC: constant current with current mode

至於回授回路的功率消耗要如何改善呢？一般的作法是加大回授回路上電阻的歐姆值以降低回授回路的電流量。但是許多的電源IC卻因無法偵測相對較低的回授回路電流量，導致此部分的功耗無法下降。另外假如有用到原邊反饋較靈敏的IC亦可因此用較低的假負載來達成定電壓的需求。目前業界僅有少數擁有特殊製程的電源IC供應商有能力開發出可用較低回授電流的電源控制IC，例如恩智浦的TEA175X、 TEA173x及TEA172x這3組產品系列，其應用參考圖六：

還有一項功耗在空載時不能忽視，那就是電源控制IC 本身。一般20瓦到65瓦適配器的電源控制IC最低功耗超過30~50毫瓦的情況時有所聞，主要原因是IC本身 的最低操作電流即很難低於2~1.5毫安，當乘上操作電壓(15~20V)後，IC的最低功耗勢必超過30~50毫瓦。恩智浦半導體即針對20瓦到65瓦適配器電源控制IC，推出操作電流極低「Green Chip」TEA173x 電源IC系列，其操作電流可降低至0.5毫安，所以其IC最低待機功耗可隨之減少至10毫瓦。

恩智浦另一著名的充電器電源IC「Green Chip SPF」 TEA172x 系列，它集成了700伏電壓的MOSFET，適用原邊反饋，其待機最低操作電流可低極低的境界--0.1毫安，因此其IC的最低待機功耗更可進一步降至3毫瓦，對於想達到「5顆星」的充電器而言，此等表現的可貴性不言而喻。

恩智浦的「Green Chip」TEA1721AT 甚至可使5瓦充電器的空載功耗降至5毫瓦。「Green Chip」TEA172x和TEA173x系列均使用了恩智浦自有的SOI(SilICon On Isolator)製程， SOI 製程有極低的漏電流可設計出極低的操作電流IC，如此一來，不但IC本身很 省電 ，而且能實現極低的回授電流和較小的假負載功耗(TEA172x)或用較小功率的光耦合器。

在SOI製程的基本設計裡，IC中的每一個電晶體均用二氧化矽嚴密包覆，才能創造出漏電流極低的綠色晶片。此外，SOI製程還擁有以下特性：1.高反應保護速度 　2.不敏感所以不易鎖死　3.溫度依存度低，設計電源IC變的容易　4.不易受IC 內部雜訊干擾　5.寬廣的Vcc。

圖七為使用恩智浦「GreenChip」TEA1733反馳式架構的65瓦(19.5V輸出)適配器線路方塊示意圖，TEA1733在空載時只需要10毫瓦；在230伏輸入時的空載總功耗也只要84毫瓦。

圖八更可清楚顯示一個5瓦充電器，採用了恩智浦「GreenChip SPF」系列之TEA1721A，在其最小IC耗電量不到3毫瓦下，輸入電壓為110Vac時，該充電器的空載待機功耗甚至可控制在5毫瓦以下。

當地球環境已因為人類活動而遭逢巨大破壞的此時，末端消費者已愈來愈重視商品的環保性，「綠色商機」更是各行各業絕不能缺度的必爭之地。手機及行動裝置製造商若願採用可更有效節能的電源IC，如恩智浦半導體研製成功的「Green Chip」系列，不只直接實踐人類對地球許下三個承諾之一：保護環境，對企業形象更有無價的加分作用，實在應加以支持。(本圖文由台灣恩智浦半導體提供，作者為恩智浦半導體資深產品市場經理張錫亮，陳毅斌整理)