媒体来稿 | 新的双碳政策下，家电能源效率市场的新机遇
时间：2021-11-03 14:28:59
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[导读]注：原载于电子工程世界，2021年10月29日随着中国“碳达峰”及“碳中和”目标的提出，全产业掀起了新一轮节能减排技术创新的热潮，而近期的一轮限电政策，也让所有人开始意识到电力的宝贵之处。根据国际能源署（IEA）数据显示，家用电器是居民能源消耗的第二大来源，占住宅总能耗的20%以...
作为全球最大的家用电器生产和消费国，中国一直在通过执行严格的能效标准来提高产品的节能水平。能效标准和能效标识的实施，带来的社会效益非常明显。百度百科能效标识词条显示，实施能效标准和能源标识，在2020年节电277.5TWh，约折合节能量1.29亿吨标准煤。
电源管理将交流市电转换成直流，并提供给各类家电应用，高效且可靠的电源将在家电节能中扮演着重要地位。从家电厂商到电源配套厂商以及芯片商，都将节能高效作为产品的重要创新点和卖点。
作为AC-DC电源的领导厂商之一，Power Integrations, Inc.（以下简称PI）近年来不断在家电市场进行创新投入。PI CEO Balu Balakrishnan在2021年2季度财务报告会上特别强调：“PI产品的高效率和高可靠性，使得我们不断在家电市场获得更多份额。在更严格的效率标准和电子产品日益普及的推动以及家电产品价格上涨的情况下，使得PI也获得了更多收益。”
随着PI不断优化产品组合，使得消费及工业产品占比逐年提高。为什么PI能够不断从传统的家电市场获得收益与份额？PI资深技术培训经理阎金光，以如今家电市场发展所需的三个重要因素进行了详细分析。高转换效率
如前所述，转换效率是衡量电源管理最重要也是最直接的指标。对于家电应用来说，由于工作状态很少满载，因此中度或轻载负载，以及待机时都需要满足高能效要求。
所有家电能耗要满足TEC（总能耗）标准要求，TEC总能耗的计算是以年为一个计量范围的，因而家电在不同工作情况下，不同待机时间条件下的能耗会对总能耗性能产生影响。
现今，随着物联网市场的快速普及，数以十亿计配备无线电、传感器、执行器和其他连接组件的线路供电智能设备被应用在家庭中，其中绝大多数设备都需要永远在线，或者长时间的待机，因此所有这些加起来都会对全球能源消耗产生重大影响。根据劳伦斯伯克利国家实验室的统计数据，平均每个家庭有40个设备在不断耗电，许多设备80%-90%的时间处在待机状态，其电源消耗占家庭总能耗已超过10%。
也正因此，各国针对待机功耗有了更严苛的要求。早在1999年，IEA向电器产品生产商和销售商发起了“1 W计划”节能倡议，目标是到2010 年电器产品的待机功耗达到1 W以下。如今，根据欧盟EC1275规定，在欧盟销售的家电在关断或待机模式下的最大功耗不得超过500mW。
PI的电源解决方案致力于在整个负载范围内提供一致的高效率，同时PI所有电源解决方案一直在持续不断的改善其方案的待机/空载功耗，比如InnoSwitch3产品在整个负载范围内可提供最高达95%的高效性能。而其空载功耗可以做到小于20mW以下。
PI全新的LinkSwitch-TNZ解决方案在单个IC中集成了离线功率变换和无损耗过零点检测，集成的AC过零点检测功能及X电容放电功能，特别适合于给无线控制模块供电的辅助电源。它能够提供一流的轻载效率，更低的待机漏电流以符合严格的待机标准，其空载功耗<5mw。
除了待机功耗之外，据统计，电力能源的50%以上是被电机类产品消耗掉的，家电中电机也会被大量的使用，因此选择高效的电机驱动也是节约功耗的好方法。
2019年12月31日，中国正式发布了有关室内空调的新版GB国家标准，GB 21455-2019设定了室内空调的最低能效限定值并定义了能效等级。从2020年7月1日起，新的强制性法规将取代旧的GB 12021.3-2010和GB 21455-2013标准，并要求在售的空调产品必须加贴新的GB标识。
更严格的能效要求，将促使定频空调大规模转换到变频空调。有助于室内空调达到所需效率的特性，包括变速压缩机、变速风扇电机、改进的换热表面、节能模式和滤网更换提醒装置。
PI的BridgeSwitch系列集成半桥电机驱动器，支持最大400W输出，适用于洗碗机和冰箱、空调在内的家电应用，极大简化了应用于单相或多相PM电机及BLDC电机驱动的高压逆变器的开发和生产。内部集成的半桥功率FREFET可使效率高达99%，因此无需采用外部散热片，封装的低热阻特性保证了仅采用PCB板散热即可。BridgeSwitch的下管和上管驱动器可从母线电压取电，利用内部电路实现自偏置供电，进而无需外部的辅助电源供电。高效的特性可以大大改善家电的能耗，高压BLDC的应用也利于改善效率，因同样功率情况下，高压电机当中流过的电流会较小，这样利于降低铜线上产生的导通损耗，降低温升。同时，采用BLDC也对降低家电噪声有益。
高可靠性
家电应用的一个重要特点就是可靠性。PI的TOPSwitch、TinySwitch和LinkSwitch产品被家电客户认可的原因是其高安全性和高可靠性。除了完善的保护特性已经集成进IC之外，在初级侧采用MOSFET的功率开关管耐压都在700V以上。
InnoSwitch3采用市场上充电器应用当中流行的氮化镓开关后，高效率的特点得到了淋漓尽致的发挥。同时，PI内部集成的氮化镓开关，其更高的750V耐压不仅利于应对恶劣的电网环境，还可以使家电设备在雷击情况下更加安全可靠，可大大降低大家电的市场返修率。
甚至对于印度等供电质量较差市场，其供电电压范围有时会达到350VAC甚至更高，因此为了防止在输入产生浪涌或雷击期间电源的安全，需要更严苛的电源解决方案。对此，PI推出了三款900V耐压产品，可更好的优化整体方案成本，且具备更好的额定耐压裕量，实现产品的稳定可靠。
PI所有产品均具备精确的过温保护特性，这也有助于在故障情况下对家电设备加以保护。
高集成度
高度集成的解决方案在增加系统可靠性的同时，整体元件数目大大减少。对于家电厂商来说在“缺芯”、通胀的时代，采购生产更加易于组织实现。PI所有的方案均致力于整体方案的元件数目减少，并将完善的保护功能集成进IC。
PI的InnoSwitch 3，将控制器、驱动器、PowiGaN开关、保护和SR控制全部整合，利于严格地控制功率开关的开关时序，实现效率最大化。
PI的InnoMux芯片组，通过单个变换级，单个磁性元件，无需二级DC-DC变换电路满足输出恒压或恒流要求，从而实现了元件数量减少约50％，PCB面积同时减少，效率提高10%以上的目标。该芯片采用的PowiGaN技术，可涵盖70W的输出功率应用，并且无需外加散热片。
总结
一直以来，PI都将能效作为公司发展的重中之重，是主要的清洁能源概念股票成分股，包括Cleantech Index、Nasdaq Clean Edge Green Energy等。两次被Sustainble Bussiness评为20可持续发展概念股，并且获得包括能源之星、Star of Energy Efficiency等组织颁发的荣誉。
数据显示，PI自1998年推出高能效EcoSmart节能技术以来，目前已累计出货超160亿颗。大约已为全世界的消费者、公司和机构节省了1400亿度待机能耗，相当于140亿美元的电费，等于160万户家庭的年用电量，相当于每年减排600万吨二氧化碳。
随着各国政府对于节能减排要求的与日俱增，在高效、高可靠性、高集成度等技术驱使下，选择PI的产品可以实现家电产品的更高效率及更高可靠性，同时节约开发及使用成本，助力双碳目标早日达成。
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