CN101013859A - 具有微功耗待机功能的容开电源 - Google Patents

Abstract

智能化电子设备在我们的日常工作和生活中大量的使用，电子设备处理的速度增快，以及要求电子设备能够全天候的为人服务，电子设备更多的时间是工作在待机准备工作状态，设备的待机功耗已经成了不可忽视的问题。本发明提出一种由开关电源、电容降压整流电路和待机电路组成的混合电源—微功耗待机“容开电源”，是对电子设备的电源系统在节能的要求下的新的发展。本发明的微功耗待机容开电源将电子设备的处理电路和待机电路分开，并采用不同的供电方式，有效地将待机功耗减到最小的程度，这将是智能化电子设备电源系统和待机功能设计的新思路。

Description

具有微功耗待机功能的容开电源

技术领域

本发明涉及一种将交流市电变换为低压直流电的电源装置，尤其是一种可以满足电子设备待机要求并且电源本身耗电极低的电源装置。

技术背景

目前大多数的电子设备为了延长使用寿命和节约能源，都设置了待机模式，即在设备暂时不工作时，让设备进入休眠状态，在待机模式下，设备的耗电做到最低，为了保证能用控制信号随时开机，电源必须处于工作状态，保持设备工作在待机状态，以便设备可以随时收到开机信号。电子设备待机时主电路的耗电可以做到极低了(现在很容易做到毫瓦级)，这样设备待机时能耗的主要矛盾转到了电源上。由于开关电源的高效率，它正在取代变压器广泛的使用在电子设备的电源电路中，在大电流输出时开关电源的输出效率可以很容易的做到90％以上，但当输出功率很低小时如小于1W时，开关电源的效率就变得很低，很难做到超过50％。由于现在许多电子设备如监视器、电视机、机顶盒、打印机、扫描仪、传真机等大部分的时间都是工作在待机状态，所以，电源在待机时的输出效率就变得尤为重要了。另外，以往的用电器待机状态时，电源部分还在工作，长时间的待机是影响用电器寿命和引起火灾的不安全因素。为此，IEA提出了很苛刻的电源待机标准，实际是为电源的设计提出了挑战。

发明内容

为了解决现有的电子设备在待机时电源消耗功率较大的问题，本发明提供一种微功耗(接近零功耗)待机的电源，这种电源在设备处于待机状态时，主电路不消耗任何电能，而电源的耗电也降到了几乎可以忽略不计的水平(最低可做到微瓦级的耗电)，并且设备处于等待启动信号随时可以重新开机的状态。这种微功耗待机电源对延长设备的使用寿命也是非常有利的。本发明主要解决的问题就是在保持原有设备的各种待机功能(即不改变人们对设备原有的各种使用和操作习惯)的前提下，提供一种低成本、低耗电的电源系统。

为实现上述目的，本发明提出一种全新的电源和实现待机功能的设计思想，其技术方案如下：本发明的微功耗待机电源是由市电隔离电源、电容降压整流滤波待机电源和待机控制电路组成。设备正常工作时，市电隔离电源提供设备主电路工作所需的电流；设备进入待机状态时，待机控制电路控制市电隔离电源停止工作，设备的待机任务完全由待机控制电路完成；待机控制电路工作在与市电不隔离的区域，其工作电流由电容降压整流滤波电路提供。本发明的微功耗待机电源是一种包含了待机电路并具有处理待机启动信号功能的电容降压电源和开关电源混合的电源系统，因此称之为“具有微功耗待机功能的容开电源”。在以往的电器设备中，待机功能是由主电路执行和完成的，而本发明的具有微功耗待机功能的容开电源是由电源中的待机电路执行和完成待机功能的。

本发明的具有微功耗待机功能的容开电源进入待机状态时使市电隔离电源停止工作的方法有多种选择：常用的有控制开关管使之停工作；控制可控硅全波桥式整流电路使之停止工作；控制市电输入端的继电器或双向可控硅。

本发明的具有微功耗待机功能的容开电源的待机电路在待机功能启动前和恢复到正常工作状态后，待机电路可以和主机交换数据。

为了安全方便的控制待机控制电路的工作状态，本发明提供一种双互感线圈的可控振荡电路，使用这种电路，用普通的低压按键开关即可实现对设备的关机(待机)或启动的操作。

本发明的具有微功耗待机功能的容开电源具有如下优点：

装有本发明的具有微功耗待机功能的容开电源的电子设备，可以完成各种待机功能，并且在待机状态电能的消耗最低可达到微瓦的数量级，这个待机能耗大大小于国际能源组织(IEA)提出的待机参考标准。使用本发明的具有微功耗待机功能的容开电源的电子设备还可延长设备的使用寿命。

附图说明：

图1、具有微功耗待机功能的容开电源方框示意图；

图2、具有微功耗待机功能的容开电源的开关管控制市电隔离电源实施例示意图；

图3、具有微功耗待机功能的容开电源的可控硅桥式整流器控制市电隔离电源实施例示意图；

图4、具有微功耗待机功能的容开电源的继电器开关控制市电隔离电源实施例示意图；

图5、具有微功耗待机功能的容开电源的双向可控硅控制市电隔离电源实施例示意图；

图6、启动待机控制电路的双互感器振荡电路。

图中[1]市电隔离电源；[2]电容降压整流电路；[3]待机控制电路；[4]开关电源原理图；[5]电容降压整流滤波电路；[6]待机信号控制电路；[7]双稳态电路；[8]交流同步信号输入；[9]可控硅触发输出；[10]具有微功耗待机功能的容开电源控制芯片；[11]继电器控制输出；[12]继电器；[13]双向可控硅触发输出；

具体实施例说明：

作为隔离电源，开关的电源的输出效率大大高于工频变压器电源。为了提高待机时开关电源在小功率输出时的效率，目前常触发用的方法有：1、脉冲遮蔽，让开关电源间歇工作；2、打嗝模式，让开关电源工作在脉冲输出状态；3、在待机工作供电时用另外一套小功率的开关电源供电。这样做的结果是可以将开关电源在几乎没有电流输出的情况下将开关电源本身的功耗降到1W以下，或是降到IEA的建议0.3W以下。我们知道，开关电源的损耗主要由三部分组成：1、开关管在导通和截止过程中的损耗；2、高频变压器损耗；3、控制电路消耗功率。这三个损耗在每个开关周期过程中是固定的，额定输出功率越大的开关电源其固定损耗就越大，但输出功率越大，固定功耗的比例就越小，这也就是高压，大功率开关电源的效率相对较高的原因。我们可以通过选用导通，截止特性好的开关管、高频损耗小的变压器和耗散功率小的控制电路来减小开关电源的固定损耗，以达到和实现IEA的待机标准，但这样做的结果是增加电路的成本，于是又变成了节能产品是否能够节约钱的问题，如果节能产品增加的成本过高，这样的节能产品是很难推广的。开关电源的特点是在输出功率越大，效率就越高，而输出功率越小，效率就越低，这是开关电源的原理造成的，所以如果用减小开关电源固定功耗的方法来实现降低大功率开关电源在小功率输出时的待机功耗，这是从原理上就不容易实现的高成本提高待机输出效率之路，即不是解决待机功耗的有效方法。

如图1所示为本发明的具有微功耗待机功能的容开电源的方框原理图，是由市电隔离电源[1](现在一般的电子设备都选用高效率的开关电源)、电容降压整流滤波待机电源[2]和待机控制电路[3]组成。这是专门针对降低电子设备待机功耗而提出的电源设计方案，它不同于以往的电源方案，是电源设计的一种新的思路。

电子设备中，电源的作用是将交流市电变成低压的直流电供电路中各个电路使用，降压的方法是有三种：变压器(包括自耦变压器)降压、电容降压和电阻降压。工频变压器降压具有隔离作用，其特点是结构简单，过载能力强，但缺点是本身的功耗较大，体积大，很重；电阻降压的优点是电路简单，不污染交流电源，但缺点是损耗大到一般很难接受的地步；电容降压电路由于电容器本身的有功消耗极小，输出效率极高，是任何降压方式都能比拟的。但由于不具有隔离作用，且会产生负功率因数，所以，在以往的降压电路中也不予考虑。

关于待机的工作方式，我们可以换一种思路，现代大规模CMOS集成电路的SLEEP(休眠)状态的工作电流可以降到几个μA，甚至做到一个μA以下，但这几个μA电流如果通过隔离电源提供，虽然电路的待机功率仅几个微瓦(μW)，但一般开关电源固定消耗的电能至少要1W以上，即使是设计极其优良的开关电源，目前还没有看到无输出状态功耗小于100mW的报导。如果把待机的任务交给工作在热线(与市电未隔离区)的芯片，而待机芯片的电源由电容降压电路供给，由于芯片在待机时工作电流极小，使用几百PF甚至几十PF的高压小容量降压电容即可，如此小的电容量对市电电源的功率因数不会产生任何影响.这样，电容降压功耗低、电路简单、成本低和体积小的优点就完全显示了出来。根据上述的思路就出现了一种新的电源设计方案：电源由三部分组成，开关电源、电容降压电源和待机控制电路，我们可以简称为“容开电源”。当电源输出大电流大功率时，是由开关电源输出能量；但主机进入待机状态时，主机将发出指令给待机控制电路关闭开关电源，开关电源将不产生任何功耗，主机电路也不消耗任何电能，主机将待机待命的任务交给”容开电源”里的待机处理电路(芯片)，这时待机处理电路将工作在低功耗(SLEEP)状态，随时准备接收重新启动恢复工作的信号，待机控制电路的工作电流由电容降压电路提供，由于电容器几乎不消耗有功功率，所以仅是待机电路消耗电能，可以轻易的做到耗电几个μW；当启动信号来到时，待机电路接收到启动信号，并输出信号启动开关电源，使开关电源进入工作状态，随后主机电路通电也恢复正常工作。

本发明的具有微功耗待机功能的容开电源是充分的发挥了开关电源大功率输出时效率高，电容降压电路绝对损耗小的特点，而把待机电路转移到非隔离电源区域，这里充分地结合了CMOS低功耗IC工作电流小和电容降压电路提供微小电流功耗小及电容成本低、体积小的优点，并且由于接入的电容量很小，对交流市电电源的功率因数几乎没有影响的优点。几种电路的优点结合到了一起达到了最佳的组合。并且电容降压整流滤波电路和待机控制电路仅使用阻容和低压IC元件，所以其成本很低的，容易做到高可靠性、小体积和低成本。因此极易推广使用。

图2是本发明的具有微功耗待机功能的容开电源的一个实施例。要使市电隔离电源(开关电源)停止工作，最简单的办法就是切断开关管的激励信号。[4]是由双极晶体管和变压器反馈构成的开关电源示意图，当设备正常工作时，双稳电路[7]输出高电平，光耦N2导通，T2截止，开关电源[4]正常工作。当光耦N1收到主机或外来的待机信号时，双稳态电路输出低电平，光耦N2截止，T2截止导通，开关管T1将停止工作，开关电源没有输出；待机处理电路的电源由电容降压全波桥式整流滤波电路[5]提供，电容降压整流电路也可以采用半波整流电路，半波整流电路简单，但输出电流小，在待机电路要求待机电流很小时候(如微安级)选用一个上百PF的降压电容即可满足供电要求。如果待机电流要求比较大时，如红外遥控接收电路的待机电流一般要几百μA，可采用全波整流电路。当启动信号到达时，双稳态电路输出高电平，开关电源恢复工作。

图3是市电隔离电源采用可控硅桥式整流器实施例的示意图。可控硅桥式整流电路在控制电阻性负载和电感性负载的电路中已经广泛的使用。但是，如果在桥式整流电路后面接一个滤波电容，在开机瞬间滤波电容巨大的充电电流是小电流可控硅无法承受的，若采用大电流可控硅和过零触发技术可以解决充电电流的冲击，但成本和体积也无法接受。另一方面，在滤波电路中，可控硅的导通时间和滤波电容上的电压有关，其触发电路也比较复杂，所以在直流滤波整流电路中极少见用可控硅桥式整流电路。在本发明的具有微功耗待机功能的容开电源中，当市电隔离电源工作时，桥式整流电路中的可控硅相当于一个二级管，实际上只是在交流电的峰值附近导通(即当交流峰值大于滤波电容上电压时导通)；当主电路要求待机时，待机控制电路只要不再提供可控硅触发信号，桥式整流电路就不工作了，这时可控硅起到的是开关作用。这里需要解决的问题就是在开机瞬间当滤波电容上的电压为零时，如何防止通过可控硅的电流过大烧毁可控硅，本发明实现的方法是，控制可控硅的导通时间，使滤波电容上的充电电压分几个周期达到正常工作时的电压，即控制每个周期内的充电电流，直到滤波电容进入正常工作状态为止，这要求可控硅的触发电路略有复杂。但这种电路比前面的开关管截止电路的优点在于：①图2电路中开关管截止工作时，实际上整流滤波电路还处于工作状态，滤波电容的漏电流还会产生一部分功耗，而可控硅全波整流电路不工作时，整流滤波电路不消耗电能；②电容器长期处于工作状态会减少电容器的使用寿命，实际在电容器充满电的状态，滤波电容抗脉冲击穿的能力最差，这是在电源污染较严重的电网内滤波电容早期失效的主要原因之一，而本例的可控硅桥式整流电路可以避免这个问题；③在以往的桥式整流电路滤波电路中，在开机的瞬间巨大的充电电流对滤波电解电容器的寿命也会造成损害，使用本发明的可控硅全波桥式整流电路在电源接通的初期控制电解电容器的充电电流，可以延长电解电容的使用寿命。因此，使用可控硅桥式整流电路，可以大大延长滤波电容的使用寿命，这将是全波整流电路的发展方向。这种电路需要对已有的全波整流电路板改造，这对已有完整设计的设备改造比较困难，但从增加电源的可靠性和电路成本来说还是相对较低的。可控硅的触发可采用光耦，也可采用变压器触发，本实施例采用的是变压器触发方式。待机控制电路主要由待机控制芯片组成，它的任务是触发可控硅，接收和识别待机和启动信号，并控制市电隔离电源的是否工作，待机芯片可以是单片机，也可以制成专用电路以降低成本。由于使用待机芯片控制可控硅触发，所以不会额外地增加可控硅触发电路的成本。

在市电隔离电源正常工作状态，待机芯片[10]的可控硅触发脉冲输出[9]不断发出触发脉冲，当市电电压高于滤波电容上的电压时，加正向电压的可控硅轮流导通，给滤波电容充电；当待机芯片接收到待机信号后，将停止发出可控硅出发脉冲，可控硅桥式整流电路停止工作，市电隔离电源也停止工作，待机控制电路的工作电流由电容降压全波整流电路提供；当待机芯片接收到启动信号后，待机芯片[10]将控制可控硅在每个周期内的导通时间逐步延长，直到整流电路正常工作为止，这个过程在100-200mS几个交流周期内完成，交流同步信号[8]保证待机芯片提供的触发信号能精确地控制可控硅的导通时间。

图4所示为采用继电器控制市电隔离电源是否工作的容开电源示意图。该实施例是在市电输入端加继电器[12]，这种方案相对前两个实施例的优点在于设备待机时继电器[12]将交流电全部切断，这样在断电待机时，可以让桥式整流电路前面的滤波电路也脱离电网，这有利于延长所有元器件的使用寿命。在日常家用电器(如电视机、DVD、音响等)上都有一个按键式电源开关，如果将这个电源开关换成由继电操作控制的按键开关，这既符合人们手动开关机的习惯，又可以实现自动开关机和遥控开关机的功能。

图5所示为采用双向可控硅加在市电隔离电源输入端控制市电隔离电源是否工作的方案，该方案比较可控硅全波桥式整流电路的优点在于可控硅的触发电路简单，待机控制电路可以直接接到双向可控硅的控制极，这就提高了触发可靠性并降低了触发功率，但缺点是双向可控硅在工作时将产生功耗。和继电器控制市电隔离电源的方案比较，本实施例同样是在待机状态时完全切断市电隔离电源的市电输入，更具有体积小、成本低的特点。因此，可以做成独立的电路方便地改造现有各种电子设备以达到节能的目的。同样，和可控硅全波整流电路一样，在双向可控硅接通的瞬间，需要控制双向可控硅的导通时间，以防止由于滤波电容的充电电流烧毁双向可控硅。

在一些电子设备上，常使用薄膜开关或微动开关等启动设备，由于这类开关是不具有市电隔离的能力低压开关，所以不能从市电获得能量启动待机电路。图6所示为两个互感线圈构成的可控振荡电路，放大器A的输出信号通过两个互感器反馈到输入端，两个互感线圈B1和B2之间由开关K联接，开关K断开时，反馈通路被切断，且放大器A处于负反馈状态，无信号输出；按下开关K正反馈通路接通，电路振荡，振荡信号经整流后变成电平信号启动待机电路进入工作状态。这个启动电路在待机时不起振，启动电路消耗电能很少，启动触发时，只需按下开关K，而不需输入电信号，且开关接点和市电是隔离的，这种启动方式可以在监视器，外接充电器，DVD播放机等多种电器上使用，在鼠标，键盘上安上这种启动开关，也可在键盘或鼠标上直接启动计算机。

最佳实施例：

在有按键电源开关的电子设备或工频变压器为市电隔离电源的电子设备上，更适合采用继电器控制市电隔离电源的方案；在小功率的设备上应采用双向可控硅的方案，它具有成本低、体积小、改造安装方便的优点，在大功率的场合，如果双向可控硅的耗电成本大于可控硅触发电路增加的成本时，就应考虑采用可控硅桥式整流电路控制的方案了。使用双互感线圈可控振荡触发电路，可以方便地启动或关闭电子设备。

本发明的具有微功耗待机功能的容开电源是对电子设备的电源系统在节能的要求下的新的发展，智能化电子设备在我们的日常工作和生活中大量的使用，电子设备处理的速度增快，以及要求电子设备能够全天候的为人服务，电子设备更多的时间是工作在待机准备工作状态，设备的待机功耗已经成了不可忽视的问题。只有将电子设备的处理电路和待机电路分开，采用不同的供电方式，才能有效地将待机功耗减到最小的程度，这也是本发明的具有微功耗待机功能的容开电源主导思路。该电源系统用在电视机、视盘机、录像机、家庭影院等家用电子设备上，在遥控关机后真正实现家用电器的交流关机，并且可用遥控器重新开机；用在传真机上，在没有传真信号时传真机不耗电，有传真信号时自动开启传真机，对这类绝大部分时间是工作在待机状态的电子设备，将最大限度的节省能源；在打印机、扫描仪、监视器等计算机外设上使用本发明的电源系统，可以容易的控制计算机外设在不用时进入几乎不耗电的待机状态，并可随时接收计算机指令回到工作状态。并且本发明的具有微功耗待机功能的容开电源还有成本低、体积小、可靠性高的特点，可以方便地安装在现有的需要待机功能的电子设备上。

Claims (7)

1.一种电子设备上将市电交流电转换为低压直流电的微功耗待机容开电源，主要由市电隔离电源、电容降压整流滤波待机电源和待机控制电路组成，其特征在于：

(1).设备正常工作时，市电隔离电源提供设备主电路工作所需的电流；

(2).设备进入待机状态时，待机控制电路控制隔离电源停止工作，设备的待机任务完全由待机控制电路完成；

(3).待机控制电路工作在与市电不隔离的区域，其工作电流由电容降压整流滤波电路提供。

2.根据权利要求1所述的微功耗待机容开电源，其特征在于市电隔离电源可以是开关电源或是工频变压器整流电源。

3.根据权利要求1所述的微功耗待机容开电源，其特征在于采用控制开关管停止振荡的方法使市电隔离电源在待机时停止工作。

4.根据权利要求1所述的微功耗待机容开电源，其特征在于采用控制可控硅桥式整流电路的方法使市电隔离电源在待机时停止工作。

5.根据权利要求1所述的微功耗待机容开电源，其特征在于采用控制继电器的方法使市电隔离电源在待机时停止工作。

6.根据权利要求1所述的微功耗待机容开电源，其特征在于采用控制双向可控硅的方法使市电隔离电源在待机时停止工作。

7.根据权利要求3、4、5、6所述的微功耗待机容开电源，其特征在于采用双互感线圈的可控振荡电路控制待机控制电路的工作状态。

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