靜態損失

第二章直流轉換器介紹

2.3 影響直流轉換器效率的主要因素

2.3.3 靜態損失

當電路不動作時，其內部電路所消耗的功率，稱之為靜態消耗，要減少此項消耗，需要將內部最佳化( 補充 )。

靜態損失:

P

_Quiescent

 I

_Quiescent

 V

^IN

( 2-43 ) 2.4 小結

上述為直流電源轉換的基本介紹，在電源的架構中，都有各自的應用的優缺點；而在此研究中，我們應用普遍的升壓型轉換器做為研究的架構，而研究的範圍及重點，主要針對手機電池電壓轉換為無線耳機充電電壓的轉換效率，目前因為全球暖化的問題越來越嚴重，導致節能的觀念日漸重要，並且可攜式電子產品的種類也越來越多，若未來可以一併考慮到電源共用的可 能性，也成為未來重要的一個議題。

第三章交流轉直流充電器之分析

3.1 能源轉換效率規範

現今環保觀念持續提高，現代人對日常節約能源觀念逐漸重視，但隨手關掉開關進行節能省電的方法，並無法達到每種電器的節能方式，尤其是對長時間都需要接著電源變壓器的電子裝置如:電腦、螢幕、網路設備…等，

可能需面臨長時間接著電源或是在不同的運作效能需求時，所進行多種的不同電力，而無法簡單運用電源開關來達到節電效果，再加上裝置本身因電源轉換電路設計方面的限制，平時待機準備運作的電源，都在慢慢的消耗一小部分的能量中，會造成使用者在能源上做出不必要的浪費，而針對這類需長時開啟的電子設備，更應進一步強化裝置的節能設計，才能讓節能效益更加顯著。

日常生活中的電器，以電視、網路設備、電腦耗能最為常見，但多數產品都是以直流電進行驅動，所以造成需要利用 AC/DC 交流轉直流的電源轉換，或是在進一步進行 DC/DC 能源轉換，才能達到驅動電子裝置進行運作的目的。能源在轉換過程，其實已經造成耗損，除了轉換電力電壓或是形式的裝置或電路，而裝置本身僅因能源轉換即造成的浪費，已經對環境造成傷害。針對於此，以有許多國際規範單位已對許多種能源提出規範，例如:美國 80PLUS 規範[11]、美國能源之星[12]是針對電腦裝置、電子裝置的電源設備提出多種規範與認證要求，另日本 Top Runner、歐盟 EuP，都針對能源效率議題提出相關產品規範要求，以限制產品開發時所產生使用更高效率的電器設備，減少相關能源浪費問題，已經成為業界的改善重點。

現在一般都是用交流轉直流之充電器，提供給手機或其他可攜式電子產品來做為電池充電所使用，然而一般市面上的充電器效率差，實際效率上大約都低於 50%。但在學術上要求理想的充電器效率期望值都在設定在 80%

以上[13]，目前能源之星(計畫是美國為減緩日趨嚴重的溫室效應現象，由美國環保署與能源部共同合作推動一系列自發性「節約能源夥伴方案」之一，

主要為鼓勵企業界及民眾節省能源開支，進而減少二氧化碳等溫室氣體排放。

我國環保署於 1999 年 7 月與美國環保署簽署「台美環境保護技術合作協定第四號執行辦法」，獲美國環保署授權使用並管理台灣地區能源之星相關事宜。) 的規範要求電源轉換效率至少要高於 68% [12]，檢視能源之星 2.0 規範，變壓器本身處於待機空載時的能源消耗，亦不能超過 300mW。

3.2 一般充電器轉換效率分析

對一般充電器用來充手機及無線耳機電池的效率演算說明，如圖 3-1 為量測設備方塊圖所示量測出來的結果表示，如表 3-1 為一般電子產品充電器效率轉換的比較表所示(在滿載的情況下的量測結果)。

圖 3-1 量測設備方塊圖

將輸入端 AC SOURCE 串聯一只電流表，如圖 3-2 為桌上型電表圖所示來量測流入電流的值，在電流表後並聯一只電壓表，如圖 3-3 為可攜式萬用電表圖所示來量測 AC SOURCE 輸入端的電壓值，將充電器接上後同時在輸出端再各串聯一只電流表(如圖 3-2 所示)及並聯一只電壓表(如圖 3-3 所示) 來量測輸出的電壓及電流值，最後在接一台電子式負載器，如圖 3-4 為電子式負載器圖所示來模擬滿載時的負載狀況下進行測試。

圖 3-2 桌上型電表圖

圖 3-3 可攜式萬用電表圖

圖 3-4 電子式負載器圖

根據電壓與電流在輸出與輸入的變化下，推得電源轉換效率公式為:

費。目前「能源之星」的規範要求空載功率損耗標準是 0.3 W [12]，而表示之三種充電器皆高於標準值甚多。

3.3 交流電源功率因數與效率之關係

由於一般市電必須經由台電供應並轉換成交流電壓才會傳輸到一般的家庭上使用，因為交流電壓較利於長距離傳輸[10]，所以說一般家用電壓都是交流電壓，但在交流電壓的電力系統中是以 PF 功率因數(Power Factor)的高低，來決定效率本身的好壞，而不是電力系統本身轉換效率的問題，來決定效率的高低，以交流電壓的電力系統來說，在電力系統的效率與 PF 功率因數本身之間並無直接關係，而是以負載本身特性轉換至 PF 功率因數值，

來決定效率本身的好壞下面將詳細介紹負載的特性與 PF 功率因數之間的關係做詳細的介紹。

為了維持供電上品質，電力公司會希望用戶端能夠提高功率因數，來降低許多無效功率，避免增加不必要的功率損耗，是因為由於一般用電之負載多為電感性負載居多，但在電力系統中電感性負載會產生許多無效功率，無效功率損耗是一種無形的電力損失，在電力系統中當接上許多電感性的負載時，電感性會產生電流落後電壓 9 0 度相角，因此產生出功率被分為 P 有效功率(KW)與 Q 無效功率(KVAR)兩種，這兩者總合為總輸出功率稱為 S 視在功率(KVA)。

在交流電力系統裡有效功率才是真正用電設備所使用的輸入功率，有效功率是每秒所做的功或所消耗的能量，視在功率是給出去的總電壓與總電流乘積的功率，無效功率則是視在功率扣除有效功率後所需耗掉的功率。

有效功率 :

P  Vrms  Irms  cos 

( 3-3 ) 視在功率 :

S  Vrms  Irms

( 3-4 )

無效功率:

Q  Vrms  Irms  sin 

( 3-5 ) 無效功率會使用電設備產出功率降低並且會造成線路損失增加，而有效的改善此現象的方法是讓負載改變為電容性負載，如加裝電容器等，因電容器為電容性負載，會產生始原先落後的電流改變為超前的電流，與電壓超前 90 度的相位角，這就可以抵消原有的電感性負載產生之無效功率，在交流電源的環境下，電壓與電流之間的關係以時間函數來表示，V(t)大致是良好的正弦波，I(t)則要視負載的用電設備而定，如果是線性負載也就是當供電電壓波形為正弦波，且電流波形一樣也是正弦波時，PF 功率因數為 COSθ 如公示( 3-6 )，其中 θ 為電壓波形電流波形的相位差。如圖 3-5 為功率因數向量圖所示，當 PF 功率因數為 θ 表示時，以相同的 P 有效功率(KW)對應到 θ1的 KVAR1與 θ2的 KVAR2相比較時，KVAR2遠小於 KVAR1的無效功率消耗。

PF 功率因數 = P 有效功率／S 視在功率=COSθ ( 3-6 )

圖 3-5 功率因數向量圖

3.4 小結

所以在交流的電力系統中 PF 功率因數的高低，是決定於負載本身的特性上，與用電產品本身的轉換效率並無直接明顯的關係，並不是靠用電產品本身轉換來決定較率的高低；以往所使用的電子產品，很多系統都不是線性負載，所以功率因數不高，如要提高功率因數，必須加入功因修正電路，但相對會提高成本，也會增加不必要的空間體積，因此功率因數對電子開發廠商與一般使用者並無明顯的誘因，所以目前市售的電子相關產品有提高功率因數的並不多見，但若要有效節省能源的話，只有減少不必要的充電過程，

可以減少避免掉許多不必要的電力損耗產生。

第四章研究方法

4.1 設計概念

此研究之設計概念是利用無線耳機與手機外殼結合下，所產生的概念，

此結合後將會有實用性之設計與使用上的便利，在實用性的部分，將兩者物品結合在一起，可以共用一個充電器節省不必要的物質浪費，並可達到節能之效果，另外在使用上的便利性方面，將可以避免無線耳機當外出臨時要用但卻沒電可用時，將可直接透過手機之電池充電，可以節省臨時沒電之虞。

4.2 無線耳機之機構概念

本研究所設計之無線耳機是利用機構伸縮概念來設計與手機機構外殼作結合，將可帶來使用上及攜帶上的便利性。圖 4-1 為無線耳機機構本體示意圖，此機構原件包括有一揚聲器、麥克風、鋰離子電池和電池充電電路及 RF 無線傳輸線路等，無線耳機本體內使用鋰離子電池作為提供電力輸出，若在實際使用的情況下，當無線耳機的電力快耗盡時，

可透過機構設計，直接由手機端的電池提供給無線耳機作充電使用，利用無線耳機的充電伸縮部，將伸縮桿延長或縮短來將電源傳輸介面連接至手機端的升壓式電源轉換器電路，透過手機電池做充電，此時手機電池可透過手機升壓模組持續對無線耳機做充電動作，且同時間並不會影響手機正常功能的使用，此優點可以讓無線耳機在每次與手機通話使用時，都會保持一定程度的電力，不會有隨時沒電之問題。

圖 4-1 無線耳機機構本體示意圖

4.3 手機與無線耳機結合之機構概念

圖 4-2 為手機與無線耳機的機構結合示意圖，此設計是將無線耳機的耳機本體結合於手機的側面機構中，並在手機內部加入升壓式電源轉換器電路，使無線耳機可透過手機電池經升壓式電源轉換器電路後，提供電力給無線耳機作充電使用。

圖 4-2 手機與無線耳機的機構結合示意圖

在文檔中利用手機電池充電無線耳機電路設計及效率分析 (頁 43-0)

第二章 直流轉換器介紹