為物聯網供電：新一代外接電源供應器如何協助將能源消耗降至最低

隨著數十億的「物品」將會連網，節能將會是關鍵。這不僅與自供電式或電池供電式感測器相關，也與閘道器等一般從 AC 線路供電的裝置有關。本文探討針對外部 AC-DC 電源配接器的新的 VI 級規格，以及為因應新標準所需的設計變更，有助於在 IoT 應用中降低整體功耗

簡介：驅動感測器的電源

物聯網 (IoT) 一詞會讓人聯想到由微小感測器構成無所不在的網路，這些感測器用於監測空氣、水質、交通流量或者工業程序，甚至我們的居家環境或身體健康狀況。 感測器一向被認定為超低功耗元件，能由小型鈕扣電池或太陽能板或其他微型化能源採集子系統供電運作。 因此，這些元件被視為可提供優異的工作效益，且其能源需求對環境造成的影響亦極小。

估計數年之後，將會有超過一兆的感測器，在 IoT 中提供視覺、聽覺和觸覺功能。 不過，這些感測器不太可能直接連到網際網路。 將 Wi-Fi 或乙太網路連線整合到由小型電池或自行供電的 IoT 端點不僅成本昂貴也非常耗電。

在許多工業或家用感測器網路應用中，一般會透過集線器或 IoT 閘道，為感測器和網際網路提供橋接，以便連接到網際網路。 如此一來，閘道使用 Bluetooth Smart 或雙線連線等的標準實作非 IP 感測器介面，並搭載乙太網路連接埠或 Wi-Fi 介面，以便連接網際網路。 此閘道能透過網際網路，將資料在感測器與雲端服務等集中式管理程式之間交互傳送。 感測器資料通常會在閘道中進行基本處理，才會傳遞至雲端。 圖 1 概述 IoT 閘道的基本功能。

圖 1：需要 IoT 閘道將低功耗非 IP 感測器連接到網際網路。

預測未來四到五年內，將會有多達 500 億個元件（如 IoT 閘道）會連接網際網路。 管理各式各樣的閘道功能，包括多重感測器介面、網際網路連線以及內嵌處理等，都需要電力，這意味著元件必須連接主電源，否則就要頻繁充電。 預計即將有大量此類元件連接網際網路，因此無論是離線電源還是反覆充電的能源需求，勢必會大幅增加。

電源供應器的能效標準

連接電網的電子裝置數目已持續的大量成長。 從現今消費性電子產品時代開始，這帶來的影響深為科學家們所關注。 根據美國消費電子產品協會統計，在美國，1970 年代一般家庭會有一台電視或者另加一台洗衣機，但時至今日每個家庭的電子產品平均數目已經上升到 24 件。 這包括多部電視機、個人電腦、平板裝置、智慧型手機、印表機、遊戲機以及其他家電設備，這些設備可能配備內建電源供應器，也可能使用配接器或外接電源供應器 (EPS) 來運作。 到了 1990 年代，僅在美國就有 10 億個 EPS 在運轉。

圖 2：在 90 年代早期已有研究預估，如果不採取行動，在 20 年內外接電源供應器的空載功耗將佔全美能源使用總量的 30%。

我們都知道，使用者通常沒有在關機或中斷連線後拔出插頭的習慣，有鑑於此，家庭中「幻象供電」或「空載」引起的用電浪費現象已經開始受到關注。 1998 年美國加州勞倫斯伯克利國家實驗室 (LBNL) Alan Meier 的研究預估，美國一般居民的總用電量中約有 5%（價值大約 30 億美元）是由設備在待機模式中的電源供應器所浪費。 毫無疑問地，能源價格節節上漲，且對過度消耗能源所造成的環境破壞擔憂增多。

為了克服這些問題，美國加州能源委員會於 2004 年針對外接電源供應器發佈全球第一條能效法規。 之後，包括整個美國、加拿大、歐洲以及澳洲在內的全球主要市場都逐漸跟進。 眾多法規最後協調統一，成為適用於外部電源供應器的《國際能效標識協議》。 該協議至今已經過數次修訂，每一次修訂都針對空載電力消耗和最低平均運作效率成功加入更嚴格的限制。 現在，所有銷往美國和加拿大市場的外接電源供應器必須符合該協議 IV 級規格，而且必須標示有羅馬數字 IV。 歐盟目前採用更嚴格的 V 級規格。

美國能源部 (DoE) 於 2014 年宣佈，2016 年 2 月 10 日之後製造並銷往美國市場的所有外接電源供應器必須符合更高的 VI 級規格。 雖然目前為止尚無任何機構宣佈最終標準，但依據過往經驗，EU 及其他機構不久之後可能會將標準調高至 VI 級。

有鑑於 IoT 應用預期呈現爆炸性成長，外接電源供應器的 VI 級規格可能有效保護環境，以避免大量 IoT 閘道連接到電網將帶來的影響。 對全球原始設備製造商 (OEM) 而言，必需要跟上最新法規。

電源設計選擇

《國際能效標識協議》未對內部電源供應器設定規範。 因此，在設計中納入內部電源供應器而非 EPS 或許可以免除法規遵循問題。 不過，內接電源供應器仍必須遵循其他法規，例如能源之星 (ENERGY STAR®) 分級系統或 EU 關於能源相關產品 (ErP) 的節能設計指令 2009/125/EC。 此外，設計人員可能沒有相關經驗在公司內部為電源供應器進行客製，或者整合第三方模組。 內部電源還會增加產品的重量或體積，因此需要更大的外殼。

採用現成的 EPS 可說是符合適用法規快速且簡便的解決方案。 CUI 於 2014 年底開始對其 EPS 引進 VI 級產品，以因應即將發佈的法規。 EPS 製造商的典型做法是調整本身的產品組合以符合最高法定標準，如此一來，OEM 客戶便可將通用電源供應器類型出口至多個市場，進而提高經營效率並免除供應鏈錯誤。

VI 級規格

VI 級協議比之前的協議更複雜。 定義了五個類別。 包括：

• 單電壓外接 AC/DC 電源供應器（基本電壓）
• 單電壓外接 AC/AC 電源供應器（基本電壓）
• 單電壓外接 AC/DC 電源供應器（低電壓）
• 單電壓外接 AC/AC 電源供應器（低電壓）
• 高達 49 W 的多電壓外接電源供應器

備註：低電壓電源供應器的輸出電壓小於 6 V，輸出電流大於 550 mA。 基本電壓指不是低電壓電源供應器的電源供應器。 此外，VI 級引進的第一個法規涵蓋的單電壓電源供應器超過 250 W。

相較於待機電源的 V 級規格，VI 級針對 1 W 到 49 W 額定值的單電壓 AC/DC 電源供應器，將容許的電源上限從 0.3 W（標準電壓 EPS 則高達 49 W）降低至僅 0.1 W。新的平均效率需求具有相同的高要求。 圖 2 顯示相較於類似的 III 級、IV 級以及 V 級規格，VI 級基本電壓 AC/DC 電源供應器的平均效率增加。

圖 3：VI 級規格採用比 III 級到 V 級更高的平均效率閾值。

透過設計符合 VI 級規格

設計符合更新更高標準的 EPS 是一項嚴峻的挑戰。 CUI 的 VI 級電源供應器和 V 級電源供應器相比，一次和二次電路的各個層面幾乎都經過變更。 這些變更包括在設計中納入可支援強化輕負載作業模式的新型控制 IC：在一般作業下，新型控制器採用和 V 級產品相同的 65 kHz 切換頻率作業；但在輕負載與空載下則切換至 22 kHz，以降低功率損耗並提升效率。 二次回授電路內部的電容和電阻值亦重新經過最佳化，減輕在更低切換頻率下的漣波和雜訊效應。 控制 IC 還利用新技術以降低靜態功率，有助於更能符合更嚴苛的空載功率消耗上限。

低電壓／高電流 VI 級電源供應器內部的二次電路從簡單的二極體整流改成使用 MOSFET 和額外控制 IC 的同步整流。 此外，更大的電阻值以及其他元件等的變動（例如增加線規），亦有助於減少內部功率耗散。 不僅如此，採用具有低導通電阻的新型 MOSFET 同樣可提高較重負載情況下的效率。

另一方面，主要電源電路的佈局和現有 V 級單元非常類似。 額定值低於 120 W 的單元使用 CUI 制定的返馳式設計，超過 120 W 的配接器則採用 LLC 諧振拓撲。 值得注意的是，提升了 VI 級電源供應器平均效率後，由於典型工作溫度降低，因此可靠性會隨著提高。 在 IoT 應用中，對於要求通常須長期在野外運作而且只需少許或者不需要維護的設備來說，這一點是特別重要的優勢。

結論

IoT 將為產業、環境、生態以及生活品質帶來大量且各方面的優點。 另一方面，可預期的大量部署勢必會引進數量龐大而且必須由 AC 線路供電的新網路集線器和閘道。 符合最新 VI 級標示協定的新型外接電源供應器（美國將從 2016 年 2 月開始實施）將能提高平均效率和減少空載功耗，從而緩解增加的電力需求。

請造訪 VI 級電源頁面，查看 Digi-Key 提供的 CUI 的 VI 級產品組合更多資訊。