Sprawność energetyczna zewnętrznych zasilaczy - przepisy i praktyka

Aby do tego nie dopuścić, zaczęto odgórnie naciskać na producentów zasilaczy i urządzeń, żeby projektując zasilacze albo wybierając je dla swoich produktów, ich sprawność energetyczną oraz pobór prądu w stanie bez obciążenia traktowali priorytetowo. Wyrazem presji są regulacje, które, począwszy od 2004 roku, są wprowadzane w różnych krajach i regionach na całym świecie.

Są to zarówno zalecenia obowiązkowe, jak i ograniczenia dobrowolne. W Europie przykładem tych pierwszych jest Dyrektywa ErP (Energyrelated Products), nieobowiązkowe jest zaś stosowanie się do wytycznych europejskiego kodeksu postępowania dla zewnętrznych zasilaczy Code of Conduct (CoC) for External Power Supplies (EPS).

Jakich urządzeń dotyczy CoC?

Tabela 1. Pobór mocy w stanie bez obciążenia według CoC dla EPS

Aktualnie obowiązuje piąta wersja kodeksu postępowania dla urządzeń tego rodzaju, którą Komisja Europejska wprowadziła pod koniec 2013 roku. Zastąpiła ona poprzednie wydanie tego dokumentu, które było wiążące od 2009 roku. Zalecenia z CoC dla EPS dotyczą zasilaczy zewnętrznych AC/DC oraz AC/AC do urządzeń elektrycznych i elektronicznych, o mocy wyjściowej w zakresie od 0,3 W do 250 W.

Ponadto w grupie urządzeń, do których mają zastosowanie ograniczenia określone w tym kodeksie, wyróżnia się podgrupę zasilaczy niskonapięciowych (low voltage). Są to EPS, których znamionowe napięcie wyjściowe nie przekracza 6 V, a znamionowy prąd wyjściowy jest równy albo większy niż 550 mA.

CoC dla EPS nie dotyczy natomiast zasilaczy wewnętrznych, tzn. tych będących integralną częścią produktu końcowego. Do zaleceń zawartych w tym dokumencie nie muszą się również stosować producenci m.in. zewnętrznych zasilaczy DC/DC i zasilaczy sieciowych z więcej niż jednym wyjściem.

Producenci EPS, którzy zadeklarują zgodność z CoC, zobowiązują się do przestrzegania go przez odpowiedni projekt. Sygnatariusze kodeksu, którzy bezpośrednio nie produkują zasilaczy, z kolei zobowiązują się do uwzględniania kryterium minimalnej sprawności energetycznej przy wyborze EPS dla swoich produktów.

CoC uwzględnia tryb stand by

Tabela 2. Sprawność energetyczna w stanie aktywnym (dla EPS oprócz tych niskonapięciowych) według CoC dla EPS

W kodeksie postępowania zostały podane konkretne wartości poboru mocy w stanie bez obciążenia oraz przy różnym stopniu obciążenia. W wersji czwartej dokumentu to ostatnie to: 25%, 50%, 75% i 100% obciążenia znamionowego. W najnowszym wydaniu jest to też 10% tego ostatniego.

Ograniczenie to dodano przede wszystkim po to, aby zwiększyć sprawność energetyczną, wówczas gdy przez większość czasu urządzenie pracuje przy niskim poborze mocy (w trybie stand by). Progi określone w CoC dla EPS przedstawiono w tabelach 1, 2 oraz 3. W ostatniej zebrano ograniczenia dla zasilaczy zewnętrznych niskonapięciowych.

Opisu metod pomiarowych, z których trzeba korzystać przy wyznaczaniu sprawności energetycznej EPS, należy z kolei szukać w dokumencie "Test Method for Calculating the Energy Efficiency of Single Voltage External ac-dc and ac-ac Power Supplies". Został on przygotowany w 2004 roku przez US EPA.

Daty graniczne

Tabela 3. Sprawność energetyczna w stanie aktywnym dla EPS niskonapięciowych według CoC dla EPS

Docelowo co najmniej 90% produktów spośród wszystkich nowych modeli zewnętrznych zasilaczy, które są wprowadzane na rynek albo tych zamówionych, powinno spełniać zalecenia CoC, zaś liczba tych, których sprawność energetyczna jest mniejsza, nie może przekroczyć 10%.

Termin dopełnienia tych zobowiązań w wypadku nowych sygnatariuszy kodeksu postępowania dla EPS ustalono na datę ich przystąpienia do niego. Dla tych wcześniejszych, odpowiednio w przypadku firm zaliczanych do grupy Tier 1 i Tier 2, był to styczeń 2014 roku oraz ten sam miesiąc dwa lata później.

Dokument przygotowany przez KE określa również zasady, na jakich przebiegać ma nadzorowanie procesu wdrażania zaleceń CoC. Raz w roku, na koniec lutego, firmy deklarujące zgodność z tymi ostatnimi będą, z zachowaniem poufności, informować Komisję Europejską, ile modeli zasilaczy przez nie wyprodukowanych / wykorzystanych w roku poprzedzającym złożenie sprawozdania charakteryzuje się wymaganą sprawnością energetyczną.

Sposób przedstawienia tych informacji jest znormalizowany. Dane te będą następnie poddawane analizie, również anonimowo, przez uprawnione do tego organy Komisji Europejskiej. Jej wyniki będą upubliczniane.

Przepisy w USA

Tabela 4. Klasy zewnętrznych zasilaczy według EISA 2007

W Stanach Zjednoczonych regulacjami w zakresie sprawności energetycznej zajmowało się do tej pory kilka różnych instytucji. Były to przede wszystkim: California Energy Commission (CEC), Kongres USA oraz Departament Energii USA (Department of Energy).

Pierwsza z tych organizacji była autorem jednego z pierwszych dokumentów ograniczających sprawność zewnętrznych zasilaczy do elektroniki użytkowej. Został on opracowany w 2004 roku.

Po tym, jak stan Kalifornia określił swoje wymagania w tym zakresie, rozpoczęły się prace nad uregulowaniem ogólnokrajowym. Takim stał się dokument Energy Independence and Security Act of 2007 (EISA 2007). Regulacja EISA 2007 swoim zakresem obejmowała jednowyjściowe zewnętrzne zasilacze o mocy do 250 W.

Zostały w nim określone minimalne wymagane wartości sprawności energetycznej dla urządzeń tego typu, włączając w to poziomy tej wielkości, które powinny być osiągalne w trybie pracy stand by, bez obciążenia. Na początku 2014 roku do grona instytucji regulujących ten parametr zasilaczy dołączył Department of Energy Stanów Zjednoczonych.

Klasyfikacja zasilaczy według DoE

Tabela 5. Klasy zewnętrznych zasilaczy według DoE

W lutym 2014 roku Department of Energy upublicznił ostateczną wersję swojego standardu dla zewnętrznych zasilaczy, nad którą pracował od 2009 roku. Spełnienie jego wymagań stało się obowiązkowe w przypadku zasilaczy tego typu produkowanych i sprzedawanych w USA z początkiem lutego 2016 roku.

Dokument przygotowany przez DoE w znaczącym stopniu rozszerzał ograniczenia nakładane na te urządzenia w EISA 2007. W tej ostatniej regulacji zasilacze zewnętrzne zostały podzielone na dwie klasy: A oraz pozostałe, w opracowaniu DoE zaś tę pierwszą podzielono na podklasy. Wyróżniono ich aż pięć.

Większość zasilaczy dostępnych na rynku zalicza się do klasy B albo klasy C. W tabeli 4 i tabeli 5 przedstawiamy klasyfikacje zasilaczy według EISA 2007 i DoE. Początkowo, w 2009 roku, Department of Energy planował dołączyć oddzielną specyfikację dla ładowarek baterii, która rozróżniałaby 10 różnych klas tych urządzeń. Ostatecznie jednak z tego zrezygnowano.

Regulacja według DoE w porównaniu do EISA 2007 znacznie ogranicza pobór prądu zasilaczy w trybie bez obciążenia. Przedstawiamy to w tabeli 6 i tabeli 7.

Jak sprostać wymaganiom standardów?

Tabela 6. Sprawność energetyczna EPS klasy A według EISA 2007

Spełnienie coraz ostrzejszych wymagań w zakresie sprawności energetycznej i poboru prądu w stanie bez obciążenia przez zewnętrzne zasilacze nie jest łatwe. Wynika to stąd, że największa sprawność charakteryzuje je, gdy pracują z maksymalną mocą znamionową.

Charakterystyka ich sprawności w całym zakresie obciążenia nie jest bowiem płaska. Starsze zasilacze mają w rezultacie znacznie mniejszą sprawność energetyczną wówczas, kiedy pracują z obciążeniem poniżej jego maksymalnej znamionowej wartości. Jedną z przyczyn takiego stanu rzeczy są stałe straty, występujące w obwodach zasilacza, których wpływ na jego sprawność rośnie w miarę, jak zmniejsza się jego obciążenie.

Aby sprostać wymogom przedstawionych regulacji, nie wystarczą więc drobne zmiany, jak na przykład zastosowanie komponentów lepszej jakości lub użycie krótszych i grubszych przewodów. Pod kątem oszczędności energii projekt zasilacza powinien być analizowany kompleksowo. Wybrać należy więc najodpowiedniejszą topologię, starannie dobrać komponenty zasilacza i materiały, z jakich najlepiej je wykonać.

Gdzie szukać oszczędności?

Tabela 7. Sprawność energetyczna EPS według DoE

Jednym z najefektywniejszych rozwiązań pozwalających uzyskać wysoką sprawność energetyczną wzmacniacza i mały pobór prądu w stanie bez obciążenia jest przełączanie zasilacza pomiędzy różnymi trybami pracy w zależności od jego aktualnego obciążenia. Każdy z tych trybów jest zoptymalizowany pod kątem maksymalnej sprawności w konkretnym zakresie zmian obciążenia. Dzięki temu całkowita charakterystyka sprawności zasilacza w szerokim zakresie zmian obciążenia spłaszcza się.

Przykładowym rozwiązaniem jest przełączenie zasilacza w topologii flyback do pracy w trybie quasi-rezonansowym przy większym obciążeniu, automatyczne przełączenie go w tryb pracy FFM (Frequency Foldback Mode) przy średnim obciążeniu i w tryb burst przy małym obciążeniu i w stanie bez obciążenia. Znacząco zwiększy to średnią sprawność zasilacza w szerokim zakresie obciążenia i zmniejszy pobór prądu w trybie stand by.

Alternatywa dla prostownika z diod

W przypadku trybu quasi-rezonansowego poprawa sprawności jest uzyskiwana dzięki zmniejszeniu strat przełączania. To z kolei jest możliwe za sprawą komutacji przełączników półprzewodnikowych przy zerowym napięciu, co ogranicza straty spowodowane ich pojemnością pasożytniczą. W trybie FFM zmniejszając częstotliwość przełączania, ogranicza się straty do niej proporcjonalne. W trybie burst zasilacz jest zaś włączany tylko po to, aby doładować kondensatory w obwodzie wyjściowym.

Oszczędności można również uzyskać, wybierając energooszczędny sterownik zasilacza. Pobór mocy przez ten układ próbuje się m.in. ograniczać, wyłączając niektóre jego bloki funkcyjne, w danym momencie niepotrzebne. Ponadto warto rozważyć zastąpienie tradycyjnego prostownika diodowego na wejściu zasilacza, ze względu na spore straty przełączania diod, synchronicznym tranzystorowym prostownikiem z MOSFET-ami, o małej rezystancji przewodzenia.

Monika Jaworowska