物聯網 (IoT) 一詞會讓人聯想到無所不在的、由微型傳感器構成的網絡，那些傳感器可能正在監視著空氣質量或水質，交通流量或工業生產過程，以及我們的家居環境或身體健康狀況。 這些傳感器通常被設想為超低功耗設備，終身依靠小型鈕扣電池、太陽能板或者其他微型能量采集子系統工作。 因此，就其自身能量需求而言，這些設備被認為可帶來巨大的經營效益，而對環境則產生極小的影響。

據估計，所連接的傳感器數量幾年之后將超過萬億，實現 IoT 的視覺、聽覺和觸覺功能。 不過，它們不大可能直接連接到互聯網。 Wi-Fi 或以太網連接不宜集成到小型電池供電或自供電 IoT 端點中，那樣做成本高昂，功耗過大。

在諸多工業或民用傳感器網絡應用中，連接到互聯網通常要通過集線器或 IoT 網關，在傳感器與互聯網之間架起聯系的橋梁。 這樣，網關會根據智能藍牙或雙線連接等標準對傳感器執行非 IP 接口，也作為以太網端口或 Wi-Fi 接口的主機，使其連接互聯網。 通過互聯網，網關能夠實現傳感器與云服務等集中管理器之間的數據雙向傳輸。 傳感器數據的基本處理也通常在網關本地執行，隨后結果將傳輸至云端。 圖 1 概述了 IoT 網關的基本功能

圖 1：需要通過 IoT 網關將低功耗、非 IP 傳感器連接到互聯網。

據預測，未來 4 到 5 年將會有 500 億個諸如 IoT 網關這樣的設備連接到互聯網。 管理各種網關功能，包括多傳感器接口、互聯網連接和嵌入式處理等，都需要電力，這就意味著設備需要插入主電源或者經常充電。 不久的將來，隨著如此多的設備連入互聯網，電力需求會顯著增加，不論是來自離線電源還是充電電源。

電源能效標準

連接電網的電子設備數量大幅增長已不再是新鮮事。 至少自進入消費者電子產品時代以來，大幅增長所帶來的影響一直是科學家們的關注重點。 美國消費電子協會的數據顯示，在 20 世紀 70 年代，美國一般家庭通常擁有一臺電視機，可能還會有一臺洗衣機，而如今每個家庭的電子產品擁有數量已上升至 24 件。 其中包括多臺電視機、PC、平板電腦、智能手機、打印機、游戲控制臺等其他電器，這些設備可能配備內部電源，也可能通過適配器或外置電源 (EPS) 來工作。 到了上世紀 90 年代，僅美國使用的外置電源 (EPS) 數量就超過了 10 億個。

圖 2：90 年代初，有研究預測，如果不采取相關措施，在 20 年內外置電源空載功耗將占美國用電總量的 30%。

我們都知道，用戶通常沒有在電器關閉或連接斷開后拔下插頭的習慣，有鑒于此，對用戶浪費“幻象電源”或“空載電源”的擔憂開始增加。 1998 年，加利福尼亞州勞倫斯伯克利國家實驗室 (LBNL) 的 Alan Meier 在研究中估計，美國居民用電中約有 5%，價值大約 30 億美元的電能是被待機設備的電源所浪費。 結果當然是導致能源價格上漲，更多地擔憂過度消耗能源對環境造成損害。

為應對上述難題，2004 年，加利福尼亞州能源委員會施行了全球首部關于外置電源的能效法規。 繼而，全球大部分市場，包括整個美國、加拿大、歐洲和澳大利亞紛紛效仿。 最終，這些法律經過協調統一，形成了外置電源《國際能效標識協議》。 這一過程經過了幾代人的努力，對空載功耗和最低平均工作效率的限制規定日益嚴格。 如今，在美國和加拿大銷售的所有外置電源都必須符合該協議的 IV 級能效規范，其銘牌上必須貼有羅馬數字 IV 標簽。 歐盟目前施行的是更為嚴格的 V 級能效規范。

2014 年，美國能源部 (DoE) 宣布，2016 年 2 月 10 日之后在美國制造和銷售的所有外置電源必須符合更高標準的 VI 級能效規范。 盡管尚無任何機構宣布其最終標準，但歷史規律表明，不用多久，歐盟及其他國家有關當局會將其能效要求提高至 VI 級。

鑒于 IoT 應用將呈爆炸式增長這一預期，外置電源的 VI 級能效規范可對環境提供有效保護，防范即將要連接到電網的海量 IoT 網關所帶來的影響。 全球的原始設備制造商 (OEM) 需要和最新法規與時俱進，這點很重要。

電源設計選擇

內部電源不受《國際能效標識協議》的約束。 在設計中納入內部電源而非 EPS，或許無需遵循該法規。 不過，其他法規也可能適用，比如能源之星評級系統或歐盟關于能源相關產品 (ErP) 的環保設計指令 2009/125/EC。 而且，設計定制的內部電源或集成第三方模塊，可能也超出了設計人員的經驗范圍。 此外，內部電源還會增加產品的重量和體積，而需要更大的外殼。

現成 EPS 提供的解決方案快速而方便，可符合適用的法規。2014 年底，CUI 開始在其 EPS 系列中推出 VI 級規范產品，以滿足后續法規要求。 EPS 制造商通常會調整產品組合來滿足最高的強制性標準，這樣，OEM 客戶可在運往多個出口市場的產品中，搭配一款通用型電源，以最大化運營效率和減少供應鏈錯誤。

VI 級能效規范

VI 級規范協議明顯要比過往協議復雜。 其中將電源劃分為了五大類別， 包括：

單電壓外部 AC/DC 電源（基本電壓）

單電壓外部 AC/AC 電源（基本電壓）

單電壓外部 AC/DC 電源（低電壓）

單電壓外部 AC/AC 電源（低電壓）

多電壓外置電源的輸出功率最高為 49 W

注：低壓電源的輸出電壓小于 6 V，輸出電流大于 550 mA。 基本電壓電源指非低電壓電源。 除此之外，VI 級規范首次對功率超過 250 W 的單電壓電源作出了法律規定。

相較于針對備用電源的 V 級能效規范，VI 級能效規范對可允許的最大功率進行了下調，從 0.3 W（對于標準電壓 EPS，最高為 49 W）下調到了 0.1 W（對于單電壓 AC/DC 電源，額定功率范圍是 1 W 至 49 W。新頒布的平均能效要求也是嚴苛如以往。 圖 2 顯示了相較于類似的 III、IV 和 V 級能效規范，VI 級規范基本電壓 AC/DC 電源平均能效的提升情況。

圖 3：VI 級規范規定的平均能效閾值高于 III 至 V 級規范的規定值。

通過設計滿足 VI 級規范要求

設計符合滿足更高新標準的 EPS 是一項嚴峻的挑戰。 相較于 CUI 的 V 級規范電源，VI 級規范電源在初級和次級電路的幾乎每個方面均有所更改。 這些更改包括在設計中納入最新的控制 IC，以支持改進后的輕載工作模式：正常工作時，新型控制器以與 V 級規范產品同樣的開關頻率 65 kHz 進行工作，但在輕載和空載時會更改至 22 kHz，以降低功率損耗、提高能效。 次級反饋電路中的電容和電阻值經過重新優化，可減輕開關頻率較低、紋波和噪聲較多時帶來的影響。 控制 IC 還利用新技術減少靜態功耗，這會進一步有益于滿足更為嚴苛的最高空載功耗限制要求。

低壓/高電流 VI 級規范電源中的次級電路采用 MOSFET 并增加一個控制 IC，將其由簡單的二極管整流變為同步整流。 此外，更大電阻值和其他元件的更改（比如增大線規）將有助于減少內部功率耗散。 不僅如此，導通電阻更低的較新 MOSFET 有助于提升較大負載時的能效。

另一方面，主電源電路的布置和現有 V 級規范的裝置基本無異。 額定功率低于 120 W 的裝置采用 CUI 成熟的反激式設計，而額定功率高于 120 W 的適配器則采用 LLC 諧振拓撲。 值得注意的是，VI 級規范電源的平均能效提高后，也有助于降低典型工作溫度，從而提升可靠性。 在 IoT 應用中，對于通常需要在現場長時間工作，只需很少或不需要維護的設備來說，這是特別重要的有利因素。

結論

可以預見，IoT 將為工業、環境、生態和生活質量帶來大量且廣泛的益處。 另一方面，預期的大量部署會引起新型網絡集線器和網關的出現，數量龐大且必須由交流線路供電。 最新的 VI級規范標識協議將于2016 年 2 月在美國強制施行，滿足該協議的新型外置電源可提升平均能效，降低空載功耗，從而有助于補償增加的電力需求。