CN101419434B - 具有微功耗待机功能的容开电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有微功耗待机功能的容开电源，该电源包括有市电隔离电源、电源管理电路和电容降压整流滤波电源；其中，市电隔离电源用于提供设备主电路工作所需的电流，电源管理电路用于接收待机/开启信号，控制市电隔离电源的通断，电容降压整流滤波电源用于为电源管理电路提供工作电流。安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提出的待机参考标准，同时还可延长设备的使用寿命。

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的电源装置，尤其是一种可以满足用电设备待机要求且待机时电源本身耗电极低的电源装置。 

背景技术

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(STAND-BY)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，电子设备的耗电做到最低。为了保证电子设备随时能够恢复工作，电源必须处于工作状态，给主机电路供电，以便设备可以随时收到开机信号。现在，主机电路待机时的耗电可以做到极低，比如做到微瓦级，这样设备待机时能耗的主要矛盾就转到了电源上。由于开关电源的高效率，它正在取代线性电源被广泛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做到90％以上，但当输出功率很低小如小于1W时，开关电源的功率就变得很低，很难做到超过50％。 

由于现在许多电子设备如显示器、电视机、打印机、扫描仪、传真机等大部分时间都工作在待机状态，所以，电源在待机时的输出效率就变得尤为重要。为此，国际能源组织(IEA，International Energy Agency)提出了1W计划，就是指电子设备在待机时的消耗功率控制在1W以下，目前美国、欧盟已经开始执行严格的待机标准。为了提高待机时开关电源在小功率输出时的效率，目前常用的方法有：1、降低开关电源工作频率；2、间歇模式，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隔离电源供电。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。 

目前普遍认可的待机解决方案有两种：一种是，正常输出功率100-150W以下的电源，在待机时直接采用间歇模式工作，待机功耗可以满足IEA提出的待机标准，如安森美、Phiphs、TI的绿色电源芯片都采用这种方式，但采用间歇模式降低待机功耗是有限的，且工作在间歇模式时输出电源波动很大；另一种是，对正常工作时输出功率200W以上的电源，在待机时采用另外一套小功率电源供电的方式，但采用附加电源来降低待机功耗的办法无疑是大大增加了电源的成本。所以，待机问题迄今为止还没有完全满意的解决方案。 

对于开关电源，其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、整流二极管损耗。这三种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，固定功耗与输出功率比例就越小，这也就是高压、大功率开关电源在满负荷输出时效率相对较高的原因。可以通过选用导通、截止特性好的MOFET、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，以达到减少待机功耗的目的，但这样做的结果会增加电路的成本。降低开关电源的工作频率也可以达到减小待机损耗的目的，但减少是比较有限的。 

目前开关电源降低待机功耗公认可行的办法是：在待机时让开关电源工作在间歇状态，即减少输出的占空比，但这种办法降低待机功耗的效果还是有限的。开关电源的特点是：输出功率越大，效率就越高，而输出功率越小，效率就越低。所以，如果用减小开关电源固定功耗的方法来实现降低开关电源的待机功耗，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。 

现有的开关电源都含有电源管理芯片，为了解决上电电阻的功耗问题，目前普遍采用的办法是在芯片里设置一个高压电流源开关，当开关电源正常启动后关闭开关，但这增加了电源芯片的工艺难度，也增加了电源管理芯片的成本。 

现有的电源中的整流滤波电路在电源接通的瞬间有可能产生巨大的滤波电容充电电流，这个大电流会减少滤波电解电容器、电源开关以及电源插头、插座的使用寿命，并对交流市电产生严重的污染。为了解决这个问题，可采用的措施是：在滤波回路加一个电感线圈或一个浪涌电流限制电阻，由于电感线圈的成本、重量和体积的限制，只有在特殊要求的场合才会采用电感线圈作为限制浪涌充电电流的解决方案。比较简单的解决办法是：使用串联热敏电阻或普通电阻限流，用继电器、可控硅或其它电子开关在上电结束后将电阻短路。但实际上由于成本的因素，且许多电子设备接通市电后很少再断开电源(工作在待机状态)，所以一般小功率电子设备基本不考虑限制浪涌充电电流限制措施。现在的电子设备在朝着取消机械电源开关的方向发展，许多电子设备只使用轻触开关来打开、关闭电源，在插拔电源插头时有可能在瞬时造成整流滤波电路的多次上电过程，一方面是对上电过程的控制提出了更高的要求，另一方面也给解决待机问题提出了更高的标准和要求。 

开关电源中寿命最短(工作负荷最大)的元件是滤波铝电解电容器、开关管和输出大电流整流二极管，元器件的寿命是和工作的温度有密切关系的，工作温度每降低10℃，寿命就增加一倍，反之，工作温度每增加10℃，寿命就减少一倍。从成本和使用寿命等方面考虑，电源中负荷最大的几个元件的工作温度一般为40-50℃，最大不超过60℃，现有的用电器处在待机状态时，由于电源部分还在工作，待机工作的时间一般是工作时间的10倍以上，如果假设工作时的温度为55℃，待机时的工作温度为25℃，由于待机可以延长8倍的寿命，但由于10倍的工作时间，显然待机时消耗的寿命时间是与工作时消耗的寿命相当的。 

综上所述，现有电子设备的电源系统的缺点如下： 

①满足不了趋于0待机功耗的要求； 

②开机时，浪涌充电电流影响元器件的寿命； 

③若取消上电电阻则必须接入高压开关，无法降低集成电路的成本。 

④待机时，开关电源的许多元件处于工作状态，大大缩短电源的寿命； 

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，主机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并随时可以重新开机的状态。 

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，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，用于提供所属设备主机电路的工作所需电流，该市电隔离电源包括：交流整流滤波电路、开关管T1、变压器和输出整流滤波电路，交流整流滤波电路的输出接变压器的输入端，变压器的另一个输入端与开关管T1的漏极连接，开关管T1的源极通过限流电阻与交流整流滤波电路的地连接，开关管T1的栅极与电源管理芯片的输出端连接，变压器的输出与输出整流滤波电路连接； 

电源管理电路，用于从主机或外部电路接收待机/开启信号，并向市电隔离电源发送待机/开启指令，控制其通断；电源管理电路用于从市电隔离电源接收电压和电流信号，控制市电隔离电源开关管T1的导通时间或频率和实现开关管T1的保护；电源管理电路中包括微功耗待机的电源管理芯片，降压电容器C1、C2、二极管桥式整流电路和滤波电容器C3组成电容降压整流滤波电路为微功耗待机的电源管理芯片提供电源，微功耗待机的电源管理芯片输入端4与光耦N1连接，微功耗待机的电源管理芯片第一输入端通过电阻R8与交流整流滤波电路的输入端连接，微功耗待机的电源管理芯片第二输入端通过电阻与开关管TI源极连接；电源管理电路用于与主机电路交换待机信息； 

电容降压整流滤波电源，用于为电源管理电路提供工作电流。 

本发明可以使用工作在电容降压整流滤波电源供电的低电压开关电源管理芯片来控制主机开关电源的开关管工作，实现在没有上电电阻的情况下完成开关管的上电软启动、正常开关状态的控制及开关管的保护。 

为了安全方便的控制电源管理电路的工作状态，本发明提供一种双脉冲变压器电路，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。 

本发明提供一种用交流市电的频率校准待机控制芯片内部时间基准的方法：用交流电的周期计算所需时间间隔对应的内部振荡的次数。可以不使用石英晶振得到较高的时间基准，有利于简化电路和降低成本。 

本发明提供的开关电源管理芯片，是一种低电压工艺的芯片，可以解决上电电阻的功耗问题，因而具有成本低廉和可靠性高的特点。 

本发明具有微功耗待机功能的容开电源具有如下优点： 

安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为具有微功耗待机功能的容开电源结构方框示意图； 

图2为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为具有微功耗待机功能的容开电源的可控硅桥式整流电路控制市电隔离电源实施例示意图； 

图4为可控硅整流滤波电路上电启动时波形时序图； 

图5为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6为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7为具有微功耗待机功能的容开电源的单向可控硅控制市电隔离电源实施例示意图； 

图8为具有微功耗待机功能的容开电源的一支晶体管控制市电隔离电源实施例示意图； 

图9为具有微功耗待机功能的容开电源的两支双向可控硅的桥式整流电路控制市电隔离电源实施例示意图； 

图10为具有微功耗待机功能的容开电源的两支单向可控硅的桥式整流电路控制市电隔离电源实施例示意图； 

图11为轻触开关启动电源管理电路的双脉冲变压器信号耦合电路； 

图12为微功耗待机电源管理芯片的开关电源原理图之一； 

图13为微功耗待机电源管理芯片的开关电源原理图之二； 

图14为红外遥控电视机微功耗待机电路实施例原理图之一； 

图15为红外遥控电视机微功耗待机电路实施例原理图之二 

图16为传真机微功耗待机电路实施例原理图一； 

图17为传真机微功耗待机电路实施例原理图二； 

图18为计算机电源微功耗待机电路实施例原理图； 

图19为计算机监视器微功耗待机电路实施例原理图； 

图20为打印机微功耗待机电路实施例原理图； 

图21为充电器微功耗待机电路实施例原理图。 

具体实施方式

图1所示为本发明具有微功耗待机功能的容开电源的结构方框示意图，该容开电源是由市电隔离电源(现在一般的电子设备都选用高效率的开关电源)、电容降压整流滤波电源和电源管理电路组成。主机正常工作时，市电隔离电源提供主机所需的电源，市电隔离电源是开关电源的，其工作状态可以由电源管理电路控制：市电隔离电源提供给电源管理电路反馈信号，电源管理电路控制开关管的开关状态；主机处于待机状态时，电源管理电路接收到来自主机电路或外部的待机信号，控制市电隔离电源完全停止工作，这时，主机电路由于没有电源也停止工作，等待待机启动信号的工作交给电源管理电路。当电源管理电路接收到恢复工作的信号后(或是电源管理电路产生的定时开机信号)，将启动市电隔离电源使其进入工作状态，随之主机电路也恢复工作状态，电源管理电路还可将在待机期间收到的信息发送给主机电路。本发明的重要特点是：待机任务不是由主机电路完成，而是由设在电源内的电源管理电路完成。 

现代大规模CMOS集成电路中待机(STAND-BY或SLEEP)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，虽然主机电路的待机功率仅几个微瓦(μW)，但一般隔离电源本身的耗电则远远大于输出的功率。本发明的解决方案是把待机的任务交给工作在与市电未隔离区域的电源管理电路，而上述电源管理电路的电源由电容降压整流滤波电源供给。电容降压整流滤波电源包括电容降压电路和整流滤波电路，电容降压电路由于电容器本身的有功功率消耗极小，输出效率高，并且由于电源管理电路中的待机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，即可提供电源管理电路所需的电流，这样小的电容量对市电电源的功率因数产生的影响是很小的，因此电容降压电路的功耗低、电路简单、成本低、体积小和输出效率高的优点就充分的发挥出来了。 

市电隔离电源可选用高效率的开关电源，当电源输出大电流大功率时，是由开关电源输出能量；当主机进入待机状态时，主机将发出指令给电源管理电路来关闭开关电源，因此， 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电源里的电源管理电路，该电源管理电路包括有待机芯片或是电源管理芯片，这时电源管理电路将工作在待机(STAND-BY)状态，并随时准备接收重新启动恢复工作的信号。电源管理电路的工作电流由电容降压整流滤波电源提供，由于电容降压整流滤波电源自身几乎不消耗有功功率，所以仅是电源管理电路消耗电能，可以轻易的做到耗电几个mW以下。当启动信号来到时，电源管理电路接收启动信号，并输出信号来启动开关电源，使开关电源进入工作状态，随后主机电路也恢复正常工作。 

本发明具有微功耗待机功能的容开电源充分地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完美的组合。 

图2是本发明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。图2中开关管T1和变压器的L1、L2、L4构成最简单的RCC开关电源；降压电容C1、桥式整流器Q、稳压管ZD和滤波电容器C3构成电容降压整流滤波电源；电源管理电路由双稳态电路、光耦N1和晶体管T2组成。当主机电路正常工作时，双稳态电路输出低电平，T2截止，开关电源正常工作。当光耦N1收到主机或外来的待机信号时，双稳态电路输出高电平，T2导通，开关管T1将停止工作，开关电源没有输出。因此，待机时，主机电路和主开关电源不消耗任何能量。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，主机电路也随之恢复工作。 

图3是采用可控硅桥式整流电路控制市电隔离电源实施例的示意图。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。在本发明的具有微功耗待机功能的容开电源中，在市电隔离电源正常工作状态，桥式整流电路中的可控硅相当于一个二极管，实际上只是在交流电的峰值附近导通，即：在交流峰值大于滤波电容上电压时导通，待机电路中的待机芯片的可控硅触发脉冲输出端5不断发出触发脉冲，通过脉冲变压器B2加到单向可控硅S的控制极，当市电电压高于滤波电容C上的电压时，加正向电压的可控硅轮流导通，给滤波电容C充电；当待机芯片通过光耦N1接收到待机信号后，将停止发出可控硅触发脉冲，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，这时可控硅起到的是开关作用。 

可控硅在控制电阻性负载和电感性负载方面的使用是广泛的，但在控制电容负载方面从未见过介绍资料，这里主要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若干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。通过图4可以说明在可控硅整流滤波电路在接通交流电源的瞬间，外接交流市电、可控硅的触发脉冲以及滤波电容器的充电电压之间的时序关系。图4a是外加交流电压波形，有效值为220V、周期为20mS，图4b是单片机输出的可控硅触发脉冲时序，脉冲的周期小于交流电的周期，如果要在50个周期内使滤波电容上的电压从0到交流电压的最大值Um，可设置触发脉冲的周期为9.95mS，启动时第一个脉冲出现9.95mS处即交流电压过零前50μS处，对应的交流电压瞬时值为4.87V，即相当于4.87V的脉冲电压对初始电压为零的滤波电容器充电。假设470μF的电解电容器的ESR(等效串联电阻)为0.4Ω，考虑到整流二极管和可控硅的正向导通压降为0.7V和1.8V，则充电的峰值电流不会超过5.9A，由于触发选在交流的下降段，充电电流迅速下降。第二个触发脉冲出现在19.90mS处即交流电压过零前100μS处，对应的交流电压瞬时值为9.74V，这时滤波电容器经过上半周的充电已经有一定的电压，瞬时的充电电流就不会太大。这样经过100个充电周期，滤波电容器上的电压逐步达到交流电的峰值，这既保护了可控硅不会由于瞬时过电流烧毁，同时又避免电解电容器在上电时由于大电流冲击造成寿命缩短。图4c是对应的滤波电容器充电电压的波形图，可以看到滤波电容器上的充电电压是逐渐上升的。采用图4所示的脉冲时序，可以限制开机时的浪涌电流，用单片机或数字集成电路实现这样的脉冲是很容易的，故在此不详细叙述。控制滤波电容器上电过程也可以采用大功率三极管、IGBT或高压大功率MOS管，也是采用控制导通时间的办法控制滤波电容器的充电电流。 

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。电源管理电路主要由待机芯片、脉冲变压器B2和光耦N1组成，它的任务是触发可控硅S、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。图4b所示的可控硅触发脉冲是周期不变的脉冲组，这种脉冲可以有效的减小开机上电时滤波电容的浪涌充电电流，但不能保证在每个充电周期内的充电电流时相同的。通过计算和实验，可以得到最佳的可控硅触发脉冲的周期，以保证滤波电容在每个周期都可以均匀的充电。本实施例使用50Hz交流电，对于其它频率和电压的交流电可采用不同的脉冲周期和脉冲个数启动滤波电容的上电过程。 

当隔离电源控制电路接收到启动信号后，待机芯片将控制可控硅在若干个周期内导通时间逐步延长，直到整流滤波电路正常工作为止，交流同步信号加到待机电路的输入端6，保证待机控制信号提供的触发信号能精确地控制可控硅的导通时间。 

与其它方式相比，采用可控硅桥式整流器控制市电隔离电源的优点在于：①采用开关管 控制市电隔离电源时，当开关管截止工作时，实际上整流滤波电路和晶体管T2还处于工作状态，电阻R1、R2和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，整流滤波电路和开关电源不消耗电能；②采用开关管控制市电隔离电源时，滤波电容器C长期处于工作状态会减少电容器的使用寿命，而本实施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，使用可控硅关断桥式整流电路，可大大延长滤波电容的使用寿命，这将是全波整流滤波电路的发展方向。 

图5所示为采用继电器控制市电隔离电源的通断的容开电源示意图。该实施例是在市电输入端加继电器J，继电器的优点是可以可靠地切断电源。在家用电器(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器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6所示为采用双向可控硅加在市电隔离电源输入端来控制市电隔离电源的通断的方案，图6中降压电容C1、二极管D1和D2、稳压管ZD和滤波电容C3组成半波整流滤波电路，构成电容降压整流滤波电源。待机芯片和光耦N1组成电源管理电路。本方案比图3可控硅全波桥式整流电路的优越之处在于：由于采用了电容降压半波整流滤波电路及触发双向可控硅，使得可控硅的触发电路简单，待机芯片的可控硅触发脉冲输出端5可以直接接到双向可控硅BCR的控制极，这就提高了触发可靠性并降低了触发功率。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，可以做成独立的模块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，与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，即在启动时使双向可控硅在每一个周期内导通的时间逐渐增加，以防止由于滤波电容的充电电流烧毁双向可控硅。 

另外，也可以采用在桥式整流电路和滤波电容器之间加一支高压三极管或MOS管的方法来控制开关电源的通断，图7是采用高压三极管的原理示意图，待机芯片、N1和N4组成电源管理电路。正常工作时待机芯片的输出端5输出高电平，光耦N4导通，T3、T4也导通，整流滤波电路正常工作。当光耦N1收到待机信号后，待机芯片输出端5输出低电平，N4、T3、T4截止，主开关电源停止工作。当N1收到开机信号时，待机芯片输出端5输出一连串预先设置的脉冲，通过N4控制T3工作在放大状态，完成滤波电容C的上电过程，上电结束后，待机芯片输出端5输出高电平，使T3进入饱和状态，开关电源正常工作。同样T3起到两个作用：一个是在待机时切断主电源的输入，另一个是在主电源通电时限制滤波电容的浪 涌充电电流。使用高压三极管或高压MOS管的优点在于上电时三极管或MOS管表现为串联电阻，可使滤波电容的上电更加平缓，并缩短上电的时间，另外导通时三极管和MOS管的功耗大大小于可控硅，因而可以减少损耗和发热。 

图8所示为一个单向可控硅和一个双向可控硅组成的可控硅桥式整流电路控制市电隔离电源的方案。图8中待机芯片、光耦N1构成电源管理电路，电容降压整流滤波电源提供电源管理电路的工作电流。主机电路正常工作时，待机芯片的可控硅触发脉冲输出端5和7轮流输出脉冲使双向可控硅BCR和单向可控硅S轮流导通，保证双向可控硅BCR、单向可控硅S、二极管D5和D6组成的桥式整流电路正常工作。待机时，待机芯片停止发送可控硅触发脉冲，双向可控硅BCR和单向可控硅S关断，开关电源也停止工作。当待机芯片接收到光耦N1传来的开机信号后，将触发双向可控硅BCR和单向可控硅S使桥式整流电路恢复工作状态。同样，为了限制滤波电容器C上电时过大的浪涌充电电流，待机芯片需控制双向可控硅BCR和单向可控硅S在每各周期内的导通时间逐渐增加，以限制每个周期内的充电电流。在控制滤波电容器C的上电过程中，也可采用待机芯片只触发单向可控硅S的办法实现滤波电容器的逐步充电，滤波电容器的上电过程完成后，待机芯片轮流控制双向可控硅BCR和单向可控硅S导通使整流电路正常工作。 

图9所示为两个个双向可控硅组成的可控硅桥式整流电路控制市电隔离电源的方案。图中待机芯片、光耦N1构成电源管理电路，电容器C1、C2、二极管D9-12、D1、D2、D3和C3组成的电容降压全波整流滤波电源提供电源管理电路的工作电源。主机电路正常工作时，待机芯片的可控硅触发脉冲输出端5和7轮流输出脉冲使双向可控硅BCR1和BCR2轮流导通，保证D5、D6、BCR1和BCR2组成可控硅全波桥式整流电路正常工作，该电路的特点是，双向可控硅采用第三象限触发，如果采用正脉冲的的第四象限触发，需要的触发功率较大，这将增加待机时的功耗，而采用第三象限触发，触发功率成倍的减小，本发明中利用的是电容器放电产生触发电流，从而实现了第三象限触发。待机时，待机芯片停止发送可控硅触发脉冲，桥式整流电路停止工作，开关电源也停止工作。 

图10所示为两个个单向可控硅组成的可控硅桥式整流电路控制市电隔离电源的方案。本实施例与图3的实施例的区别在于单向可控硅的触发电路非常简单，由于将电源控制电路的地接在整流电路的高压输出端上，可以实现待机芯片输出直接触发两个单向可控硅，更适合于大功率控制的场合。 

在一些电子设备上，常使用薄膜开关或微动开关等低压开关启动或关闭设备，由于这类开关是不具有市电隔离能力的低压开关，所以不能直接连接在容开电源的电源管理电路上控制电子设备的待机或启动。图11所示为本发明提供的一种用普通低压开关或按键控制本发明 的电源管理电路的方法，以实现用低压开关启动或关闭电子设备的功能，而低压开关或按键不能直接操控工作在非市电隔离的电源管理电路，必须通过脉冲变压器电路来实现对电源管理电路的控制。本实施例中采用了由脉冲变压器B1、B2组成的双脉冲变压器电路来控制电源管理电路的。脉冲变压器B1的信号输入线圈L11为信号输入端与待机芯片的信号输出端1相连，脉冲变压器B2的信号输出线圈L21为信号输出端与待机芯片信号输入端2相连，只有在信号传递线圈L12和L22形成回路的情况下，信号才能从输入端到达输出端。信号传递线圈L12和L22与信号输入线圈L11及信号输出线圈L21之间有足够的绝缘强度，以保证在接触到信号传递线圈L12和L22时不会有触电的危险。待机芯片的信号输出端1不断发出脉冲信号，如果信号传递线圈L12和L22形成不了回路，待机芯片的信号输入端2接收不到信号，芯片没有动作，一旦按下开关K，信号传递线圈形成回路，待机芯片信号输入端2接收到脉冲信号，芯片可以执行启动或待机的指令。在待机芯片信号输出端1发出的脉冲信号可以是编码的信号，以避免信号输入端2接收到误动作信号。待机芯片发出的脉冲信号可以是占空比很小的脉冲，即可保证芯片在待机时的消耗功率很小。 

电源管理电路在接收红外遥控信号以及整流滤波电路上电启动可控硅时，都需要比较准确的时间基准，一般的单片机都是采用石英晶振提供准确时间基准，而在本发明的微功耗待机电源系统中，可以使用交流电50Hz作为时间基准，在本发明的使用待机芯片和电源管理芯片的实施例中，交流电时间基准信号是通过R3送的信号输入端6的。经大量的实验证明，交流电的周期作为时间基准是完全可以满足识别红外遥控信号和触发可控硅启动整流滤波电路的时间基准的要求。不使用石英晶振，既简化了电路，又降低了电路成本。 

使用市电交流电作为待机芯片的时间基准可采用两种方式：一种是用50Hz交流电的频率检测芯片的振荡频率后，如发现与初始设置的内部时钟频率不一样，就调整振荡频率。一般芯片内部的振荡都是采用RC振荡，随时间、温度、工作电压的变化，振荡频率会有所变化；当频率变化后，采用调整振荡器内部电阻或振荡器工作电压的办法，可以将芯片内部时钟的振荡频率调整到初始的设置值，目前大部分的单片机都具有这种功能。另一种方法是用50Hz交流电的周期对芯片的内部时钟振荡进行记数，算出一个或若干个时间基准所需的时钟周期，在每次使用时间基准前进行测量和计算，虽然内部时钟的振荡频率会随时间变化，但在短时间内还应该是很稳定的，所以芯片的时间基准在使用前进行测量和计算，然后马上使用，应该是很准确的。比较上面两种方法，如果使用的时间基准很接近时钟的振荡周期，采用第一种方法比较简单；若使用的时间基准是内部时钟周期的数百倍或上千倍以上，则采用第二种方法更加准确和稳定。一般待机芯片的时钟周期都在微秒级，而所使用的时间基准都在毫秒以上，所以采用第二种方案是比较好的。 

市电隔离电源可采用开关电源，而开关电源正在向使用电源管理芯片的方向发展，使用电源管理芯片可使开关电源具有软启动、变换频率以及过流、过压和欠压保护等开关电源管理功能。在本发明的待机芯片中也可增加开关电源管理的功能，形成电源管理芯片，所谓管理是使开关电源具有软启动、变换频率以及过流、过压和欠压保护等功能。 

图12是微功耗待机的电源管理芯片的开关电源原理图。C1、D1、D2、ZD、C3组成电容降压整流滤波电源，提供待机时的电源；电源管理芯片、N1和双向可控硅BCR完成待机控制功能；电源管理芯片、脉冲变压器B2、光耦N2和N3完成开关电源的电源管理功能。这个电源的特点是没有上电电阻，电源管理芯片与主机开关电源不共地，待机时主机开关电源完全停止工作。电源启动时，电源管理芯片提供可控硅BCR启动的脉冲，使二极管D5-D8和滤波电容C组成的主机开关电源的整流滤波电路进入正常工作；同时，电源管理芯片的开关管控制信号输出端3通过脉冲电压器B2提供开关管T1导通的脉冲，可以使开关管软启动进入工作状态。开关电源正常工作时，光耦N3将检测到开关电源的输出电压信号送到电源管理芯片的信号输入端4，通过改变电源管理芯片开关管控制信号输出端3输出脉冲宽度，控制开关管的导通时间到达稳压的目的。在开关管T1的源极电阻两端并联光耦N2，可以检测开关管的工作电流，电流信号送到电源管理芯片的反馈信号输入端9，电源管理芯片根据不同的负载来控制开关电源工作在最佳的频率上，并对开关管进行过流保护；电源管理芯片的工作电流主要由脉冲变压器的线圈L3、二极管D4提供，电源管理芯片通过电源端口1检测到开关电源的工作电压，可以对开关管进行过压或欠压保护，以上的各种对开关电源的管理功能都是通过调整信号输出端3输出脉冲的宽度改变开关管T1的工作频率和导通时间实现的。当光耦N1接收到待机信号时，电源管理芯片停止发送双向可控硅BCR触发脉冲和开关管T1栅极导通脉冲，相应的桥式整流滤波电路和主开关电源都停止工作，电源管理芯片的工作电流由电容降压整流滤波电源提供，电源管理芯片等待开机信号。本发明的电源管理芯片实际上是使用了电容降压整流滤波电源作为辅助电源来提供主机开关电源上电的电源，这样就用低压电源管理芯片解决了上电电阻的功耗问题。低压芯片具有成本低的优点，这将更容易普及使用电源管理芯片，提高开关电源的输出效率。 

图13是微功耗待机的电源管理芯片的开关电源的另一个实施例。本实施例与图12的实施例的主要区别在于电源管理电路采用电容降压全波桥式整流电路供电，电源管理芯片与主开关电源共地。虽然电容降压整流电路比较复杂，但电源管理电路和主开关电源之间的反馈和控制信号是直接耦合，故电路大大简化。由于是电源管理电路和主开关电源之间可以直接偶合，所以电源管理芯片可以从主开关电源得到更多的反馈信号，如通过R8可以得到主开关电源的输入电压的信号，以实现开关管的过压、欠压保护以及工作在不同电压下时开关管 工作状态转换等功能，以实现开关电源在更宽的电压范围下工作。 

图14是本发明微功耗待机的容开电源应用于红外遥控电视机的实施例。待机芯片、红外信号接收模块M、光耦N1、双脉冲变压器B1和B2组成电源管理电路，双向可控硅BCR接在桥式整流滤波电路的前面，用于待机时切断主开关电源的市电交流输入，相当于电源开关的作用。电容降压半波整流滤波电源提供待机芯片和红外遥控信号接收模块的工作电流。当红外接收模块接收到红外遥控信号后，输出到待机芯片的红外信号输入端4，待机芯片将对其进行解码并判断其是否是开机信号，若为开机信号，则执行主机开关电源整流滤波电路上电程序，待机芯片的可控硅触发脉冲输出端5输出触发脉冲，在若干个周期内控制可控硅BCR在每个周期内的导通时间逐步增加，避免滤波电容器承受巨大的充电电流。启动程序完成后，待机芯片的可控硅触发脉冲输出端5在交流峰值到达前2mS内发一个可控硅触发脉冲组，即可保证可控硅在每个周期内都可以导通，从而开关电源正常工作，电视机也进入正常工作状态。红外遥控信号由红外接收模块接收后，送到待机芯片的红外信号输入端4，经待机芯片整形后从红外信号输出端8输出并通过光耦N5发送到电视机内的MCU芯片的红外信号接收端。当红外接收模块收到关机信号时，待机芯片的可控硅触发输出端5将停止发送可控硅触发信号，双向可控硅BCR停止工作，同时，开关电源和电视机也停止工作，电视机进入待机状态。电视机可以通过轻触开关K启动或关闭，待机芯片的待机信号输出端1不断发出脉冲，当按下轻触开关K后，脉冲信号将通过脉冲变压器B1、B2到达待机芯片的待机信号输入端2，待机芯片收到脉冲后，为了防止误动作，可以让待机信号输出端1改变时间或改变脉宽再发一组脉冲，确认轻触开关K按下后，便可启动双向可控硅BCR。本实施例中待机芯片使用单片机，单片机和红外接收模块的工作电流为2mA，工作电压为4V，所以待机时的功耗为8mW。这个电路同样适用于红外遥控的各种家用电器如DVD、机顶盒、空调、家庭影院等。使用本发明的方案，可以省掉电源开关，并达到待机时基本不耗电的效果，大大的方便使用者。 

大屏幕的电视机，开关电源的功率一般在200-300W以上，主电源的输入滤波电容在1000uF以上，如果使用可控硅控制整流滤波电路，必须采用大电流可控硅，这将增加电源的成本。图15所示为由可控硅与继电器组成的组合开关控制市电隔离电源的方案。本实施例是采用可控硅和继电器同时控制桥式整流滤波电路，待机时继电器释放，继电器接点J1打开，可控硅BCR也处于关断状态，主开关电源没有电源输入，处于停止工作状态。当电源管理芯片收到开机信号时，电源管理芯片的5端输出一串脉冲，控制可控硅的导通完成主电源桥式整流滤波电路的上电过程，然后电源管理芯片的3端输出脉冲控制开关管完成软启动过程，开关电源的辅助电源有输出，电源管理芯片控制三极管T2导通、继电器J吸合，可控硅BCR 被短路不起作用，开关电源进入正常工作状态，在J1接通的过程中，接点承受的电压仅是可控硅的导通电压，故不会产生拉弧打火的现象。当电源管理芯片收到待机信号时，电源开始断电程序，首先电源管理芯片的3端输出可控硅的触发脉冲，电源管理芯片的3端输出低电平，继电器J释放，接点J1打开，可控硅BCR导通，随后电源管理芯片的3端停止输出触发脉冲，可控硅截止，桥式整流滤波电路没有输入，开关电源停止工作，在这一过程中，继电器接点J1同样不会产生拉弧、打火。继电器也可使用自锁继电器，以减少继电器吸合时的耗电。可控硅的优点是无触点开关，但缺点是过载能力差；继电器有触点开关，特点是过载能力强，本实施例正是充分结合了两者的优点，尤其是在高压、大电流的场合可以大大降低单独使用一种开关元件时的要求。同样也可以使用大功率三极管、IGBT或高压大功率MOS管与继电器组成的组合开关，在待机和开机的瞬间让大功率三极管、IGBT或高压大功率MOS管工作，以减少继电器的接点在开关瞬间的负荷。 

图16是本发明微功耗待机的容开电源应用于传真机的实施例，电源管理电路主要由待机芯片和光耦N2组成。当电话话筒摘机、电话线有振铃信号时，通过光耦N2将信号加到待机芯片的输入端2，待机芯片判定是电话线内有振铃或忙音信号后，待机芯片的可控硅触发输出端5发出可控硅启动信号，接通主机开关电源的交流电输入，使主机开关电源进入正常工作状态，传真机也迅速进入工作状态，和电话线交换信号，开始接收或发送传真，传真结束后电话线内没有信号，待机芯片的输入端口2没有信号输入，待机芯片判定传真机需进入待机状态，经过一定时间的延时后，待机芯片停止发出可控硅触发脉冲，传真机进入待机状态，等待下一次工作信号的到来。本实施例中的待机芯片可以由单片机实现。 

由于待机芯片的工作电流很小，比如1mA以下，所以待机芯片也可以使用电话线的电源供电，图17是微功耗待机电路用于传真机的另一个实施例原理图，由于待机芯片由电话线供电，待机芯片不能直接控制可控硅而要通过一个脉冲变压器B2触发可控硅。脉冲变压器B1的作用是给待机芯片提供交流市电的同步信号，以提供时间为基准。在本实施例中使用单向可控硅是为了减小触发电流从而减小待机芯片的工作电流，来减少电话线上消耗的电流。 

图18是微功耗待机电路用于计算机电源的实施例原理图，电源管理电路由待机芯片、光耦N1和N2、双脉冲变压器B1和B2组成。在主开关电源处于关机(待机)状态时，通过设置在计算机主机上的电源按钮K1可以接通待机芯片上的启动信号，从而启动主机开关电源。另外本发明还提供了一种通过计算机键盘或鼠标上的专门按键启动计算机的方案：将键盘或鼠标的5V电源线并联在双脉冲变压器B1、B2的信号传递线圈上，按下键盘上的专用开关K2以形成脉冲的信号通路来完成启动信号的传递，键盘内单向可控硅S在主机开关电源不工作时是不导通的，以防止形成待机启动信号的回路，当主机开关电源启动后，单向可控硅S 导通，提供键盘工作所需的+5V电源。而在计算机正常运行中，误触到开关K2时，由于没有直流通路所以不会短路电源。关机时待机芯片通过N1收到计算机主板的关机信号，电源管理电路切断主机开关电源的交流电源输入，使计算机进入关机状态。另外，持续按计算机主机上的电源按钮K1，待机芯片判定是关机信号时，即可实现关机。同样也可以使用远程信号控制计算机的开机和关机(待机)。现在的计算机都具有远程信号控制的功能，即用电信号可以开机或关机，当远程开机或关机信号到达光耦N2的输入端后，从N2输出端送到待机芯片，经识别后即可执行开机或关机信号。 

图19是微功耗待机电路用于显示器的实施例原理图。当计算机待机、休眠、关机或视频电缆没有插好时，计算机监视器收不到行、场同步信号，监视器便进入待机状态，当待机芯片探测到场同步信号是即刻恢复工作状态。使用监视器上的电源开关键也可以方便的开关监视器，实际上如果没有计算机来的视频信号，即使按了开机键，监视器将显示“没有计算机信号”，然后显示一定时间后监视器又回到待机(关机)状态。配合前例的微功耗待机的计算机使用，关闭计算机后显示器自动关闭，几乎不耗电，而打开计算机后显示器也会自动打开，这样的监视器使用将是使用非常方便而且又最节能的。 

图20是微功耗待机电路用于打印机的实施例原理图。这样的打印机可以随时在线，待机时N5定时输出打印机在线信号，当待机芯片收到计算机的打印指令，即可启动打印机完成打印任务。同样原理可应用于扫描仪等计算机外设。这样的计算机外设在没有计算机发出的工作指令时，处于待机状态，消耗的功率极低，可以容易的做到mW以下。 

图21是具有微功耗待机和充电电流控制的充电器的实施例原理图。电源管理芯片、脉冲变压器B1、B2完成电源管理电路的功能，当电池不充电时，充电电池与充电插头分离，电源管理芯片待机信号输入端2接收不到待机信号输出端7发出的脉冲，双向可控硅BCR不导通，充电器开关电源停止工作。当充电插头与充电电池或用电器连接时，形成待机脉冲回路，双向可控硅BCR导通，二极管D5-D8组成的整流电路工作，电源管理芯片端口3输出的脉冲通过脉冲变压器B3加到开关管T1的栅极，开关电源开始工作。C5的作用是保证双向可控硅在小负载电流的情况下也可以可靠的导通，因为小型充电器工作是的电流可能只有1-2mA，这个电流不足以维持可控硅的导通，所以需要在回路中加入一个交流电容器维持可控硅的导通。运放A和电阻R组成充电电流取样电路，将充电电流的信号反馈到电源管理芯片的输入端4，电源管理芯片控制开关管T1保证开关电源输出最合适的充电电流。使用这样的充电器可大大延长充电电池的使用寿命。当电池充满电后，充电电流趋于零，电源管理芯片将控制双向可控硅BCR使充电器进入待机状态。这样的充电器可以成年累月的插在交流电源上，当不充电时充电器不会发热且消耗的电能也是微乎其微的。 

本发明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。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。这不但节省能源，而且更方便使用者。 

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 

Claims (3)

1.一种具有微功耗待机功能的容开电源，其特征在于，该容开电源包括：

市电隔离电源，用于提供所属设备主机电路的工作所需电流，该市电隔离电源包括：交流整流滤波电路、开关管T1、变压器和输出整流滤波电路，交流整流滤波电路的输出接变压器的输入端，变压器的另一个输入端与开关管T1的漏极连接，开关管T1的源极通过限流电阻与交流整流滤波电路的地连接，开关管T1的栅极与电源管理芯片的输出端连接，变压器的输出与输出整流滤波电路连接；

电源管理电路，用于从主机或外部电路接收待机/开启信号，并向市电隔离电源发送待机/开启指令，控制其通断；电源管理电路用于从市电隔离电源接收电压和电流信号，控制市电隔离电源开关管T1的导通时间或频率和实现开关管T1的保护；电源管理电路中包括微功耗待机的电源管理芯片，降压电容器C1、C2、二极管桥式整流电路和滤波电容器C3组成电容降压整流滤波电路为微功耗待机的电源管理芯片提供电源，微功耗待机的电源管理芯片输入端4与光耦N1连接，微功耗待机的电源管理芯片第一输入端通过电阻R8与交流整流滤波电路的输入端连接，微功耗待机的电源管理芯片第二输入端通过电阻与开关管TI源极连接；电源管理电路用于与主机电路交换待机信息；

电容降压整流滤波电源，用于为电源管理电路提供工作电流。

2.如权利要求1所述的具有微功耗待机功能的容开电源，其特征在于，所述电源管理电路采用双脉冲变压器电路，用于控制工作在非市电隔离区域的电源管理电路。

3.如权利要求1所述的具有微功耗待机功能的容开电源，其特征在于，所述电源管理电路采用市电交流电作为时间基准。

Images