CN101465608A - 电容分压隔离型低功耗待机电源 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种具有功率因数补偿功能的电容分压隔离型低功耗待机电源。为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：交流市电先由电容分压得到一个较为合适的低压交流电，再经过整流滤波、低电压开关电源隔离稳压以获得稳定的直流电压，提供给电器的待机电路作为待机电源。电容器是最常用的功率因数补偿器件，由于本发明采用电容分压，在电网中呈容性，可以起到功率因数补偿的作用。本发明解决了目前各类电器设备待机电源待机功耗偏大的问题，同时具有无功功率补偿的作用。

Description

电容分压隔离型低功耗待机电源

技术领域

本发明属于直流稳压电源技术领域，特别是涉及一种具有功率因数补偿功能的电容分压隔离型低功耗待机电源。

背景技术

全球能源面临危机，国际能源署于2000年提出了用10年时间将全球所有电器的待机能耗降到1瓦的“1瓦计划”。为此欧盟承诺逐年降低待机能耗，到2010年将大部分设备的待机能耗降至1瓦；美国环保局和能源部也发起了“能源之星”计划；而我国中标认证中心也已自2002年开始制定中国的“1瓦计划”，并提出将“待机能耗为1瓦”升级为行业标准。

目前，我国的彩电保有量大约为5亿台，空调机保有量大约为1.3亿台，全国每年仅这两件家用电器所消耗的待机能耗就可达50亿度电能。如果将其待机能耗降至1瓦，每年约可减少35亿度电能的消耗，其经济效益和社会效益十分巨大。

我们知道，电器从交流电源处获得低压直流电源是一种最常用最经济的待机电源来源，实现从交流电源处获得低压直流电源的方法有变压器降压型直流稳压电源、开关电源型直流稳压电源和电容限流降压直流稳压电源等，但从低耗能要求来说，这三种方法都是有缺陷的，其待机能耗都太大。

本发明打破传统，设计出一种新型的具有功率因数补偿功能的电容分压隔离型低功耗待机电源，使其空载能耗可以远远低于常见的待机电源。本发明不但可以轻易地使各类电器的待机能耗降低至1瓦以下，而且由于本发明在交流电网中呈容性，同时还具有功率因数补偿功能，能提高用电功率因数、减少功率损耗、吸收电网的谐波电流和有害脉冲，是真正的绿色节能型电源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有功率因数补偿功能的电容分压隔离型低功耗待机电源。为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：交流市电先由电容分压得到一个较为合适的低压交流电，再经过整流滤波、低电压开关电源隔离稳压以获得稳定的直流电压，提供给电器的待机电路作为待机电源。电容器是最常用的功率因数补偿器件，由于本发明采用电容分压，在电网中呈容性，可以起到功率因数补偿的作用。本发明解决了目前各类电器设备待机电源待机功耗偏大的问题，同时具有无功功率补偿的作用。

目前常用的直流稳压电源有变压器降压型直流稳压电源和开关电源型直流稳压电源。但对于低耗能要求来说，这两种方法都是有缺陷的：变压器降压型直流稳压电源中，工频变压器存在铁损和铜损，本身还会发热，效率很低，空载时仅变压器耗电就会达到好几瓦；而开关电源型直流稳压电源虽然省去了工频变压器，但在轻载或者待机状态下，因开关脉冲的占空比很低，又必须从交流电源直接整流滤波的高电压下取得工作电源，此时只要有一点点的静态电流和开关损耗就会消耗不少功率，交流220V整流滤波后直流电压有310V，开关电路即开关电源的控制芯片和开关管的开关损耗哪怕只有10mA的电流，空载功耗就已超过3瓦，其空载或轻载时效率也很低，事实上开关电源的高效率是在额定功率下测得的。另外，还有一种使用电容从交流市电获得稳压电源的方法，是采用电容限流降压，经整流滤波后再由稳压管或并联稳压电路稳压，其缺点之一是当负载较轻或空载时，其电流大部分或全部由稳压管或并联稳压电路吸收，其效率很低，空载时效率最低，而且因为稳压管要消耗很大的功率，所以这种稳压电源的功率做不大；其缺点之二是整流滤波后空载时所可能达到的最高为310V的直流电压实际上是由稳压管承受着，当稳压管一旦失效，则该直流电压将直接加在负载上，很可能立即击坏负载电路，所以这种电容限流降压的电源既不符合高效率的节能要求，也不宜用来取代普通的稳压电源。

由此可见，以上这几种稳压电源都不适合用作低功耗待机电源。轻载或者待机状态下效率急剧下降是现有电源设备的通病，但轻载或者待机状态又是电器很常用的工作状态，本发明将打破传统，推出一种全新的电容分压隔离型低功耗待机电源，在实现节能的同时还进行功率因数补偿。

图1是本发明具有功率因数补偿功能的电容分压隔离型低功耗待机电源之电容分压整流滤波示意图。电容分压整流滤波是本发明的核心部分，它由电容C1C2、整流桥BR1、稳压管DZ1、电解电容C3组成。交流市电ACin经C1C2分压，所得交流电压有效值为AC1＝[C1/(C1+C2)]×ACin(公式一)，其中ACin为交流输入电压有效值；AC1经BR1全桥整流，C3滤波，得到未经稳压且没和电网隔离的直流电压Vo，若忽略整流二极管的压降，空载时Vo≈1.414AC1＝1.414[C1/(C1+C2)]×ACin(公式二)。短路时其最大短路电流Imax由C1决定，Imax＝ACinωC1(公式三)，其中ω为交流输入电压角频率。有负载时，根据最大传输原理，当负载逐渐加大，其最大功率输出发生在1/2×Vo时，此时电流Io＝K×1/2×Imax(公式四)，可称Io为最大工作电流，K是当所选的Vo较高时使C1两端电压略有下降而产生的一个系数，K＝(1.414ACin-1/2×Vo)/1.414ACin(公式五)，大多数情况下K＝0.9-1.0，当所选的Vo不太高时可近似取K＝1。只要我们所设计的稳压电源电路能正常地工作在1/2×Vo至Vo之间，就能把电容分压电路应用于直流稳压电源中。在图1中稳压管DZ1不是用于稳压，DZ1的取值比Vo的最大值略高，是用来吸收交流市电经C1、C2分压再经整流滤波后可能出现的脉冲电压或本电源电路在极端情况下(如：刚断电又立刻通电)所可能出现的瞬态电压，以保护稳压IC不会超过极限电压而损坏；在正常工作时，因为取值比Vo的最大值略高，DZ1上没有电流流过，所以DZ1并不耗电。

图1电路有三个很重要的优点：其一是图1电路在工作中没有任何消耗功率的元件，它在空载时是不耗电的！！！其二是图1电路具有自动限流功能，不怕短路，短路时其功耗反而急剧减少；其三是图1电路还有一个非常可贵的特点：在交流电网中呈容性，可以起到功率因数补偿的作用。

在图1的基础上，后面再加上低电压隔离型开关电源就构成了本发明。图2是本发明电容分压隔离型低功耗待机电源原理框图示意图。图2的开关电源部分和普通的开关电源电路是一样的，但实际上图2的开关电源是工作在图1电容分压整流滤波的低电压下，此时开关电源的控制芯片和开关管的开关损耗均远远低于常见的采用高电源电压的开关电源的损耗。

本发明具有功率因数补偿功能的电容分压隔离型低功耗待机电源的优点是开关电源的控制芯片和开关管工作在低电压下，其空载、轻载功耗都大大降低，其缺点是带大负载的能力较弱，但由于待机电路不是工作在大电流的状态下，正好给本发明提供了最好的用武之地。

图3是本发明电容分压隔离型低功耗待机电源实例电路一原理图，采用普通常用的开关电源控制芯片(如：UC3842)，电路也相同，不一样的地方是开关管只要采用低耐压的即可，高频变压器的参数也要改变。

图4是本发明电容分压隔离型低功耗待机电源实例电路二原理图，采用低成本的自激式隔离型开关电源电路，电路简单，静态电流小，由于工作在低电压下，其空载功耗更低，很适合用于待机电源。

图5是本发明电容分压隔离型低功耗待机电源实例电路二的一个完整的实际应用电路原理图，是在图4的基础上后面再加一级由微功耗低压差稳压IC(如：HT7105)，进一步稳压输出，以提高电源的输出电压特性，提供更稳定的电压以驱动待机电路。在此实际应用电路中，控制电器整机电源的继电器(图5中的J1)的电源取自隔离型开关电源电路之前，通过光电耦合隔离，从而降低了对图4低电压开关电源电路的功率要求，减少了开关电源的损耗。

需要进一步说明的是，当电器从待机状态进入工作状态时，一般是驱动一个继电器以接通交流电源，本发明由于采用电容分压整流滤波，继电器的电源可取自隔离型开关电源电路之前如图5中所示。若选取继电器吸合之前该电压略高于继电器的额定工作电压，保证继电器能可靠吸合，而由于继电器吸合之后将引起电容分压整流滤波电路的输出电压有所降低，同时使得继电器的工作电流也有所减少，正好可以符合继电器吸合后的维持电流可以较小的特点，电压电流同时有所降低，就大大降低了电器进入工作状态时继电器吸合所消耗的功率，这是本发明用于待机电源的又一个节能优点，即不但待机时节能，而且电器进入工作状态时也比传统的待机电源节能。

同时，由于本发明在交流电网中呈容性，不但在待机状态下而且在电器工作时都可以起到功率因数补偿、降低谐波电流污染的作用，因此是真正的绿色节能型的低功耗待机电源。

采用本发明将很容易实现对节能环保要求最苛刻的欧盟所提出的待机功率不超过1W的长远目标，满足美国环保局和能源部发起的“能源之星”计划的要求，并推动我国中标认证中心执行的“1瓦计划”的实施进程。

综上所述，本发明完全可以取代现有电器的待机电源从而提高电源的利用率，并能提升交流电网的功率因数、改善交流电网的谐波电流，对减少能源的消耗、缓解日趋紧张的能源压力和环保压力都有积极的作用。本发明是真正的绿色节能型待机电源！

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1本发明电容分压隔离型低功耗待机电源中电容分压整流滤波电路原理图；

图2本发明电容分压隔离型低功耗待机电源原理框图示意图；

图3本发明电容分压隔离型低功耗待机电源实例电路一原理图；

图4本发明电容分压隔离型低功耗待机电源实例电路二原理图；

图5本发明电容分压隔离型低功耗待机电源实例电路二的一个完整的实际应用电路原理图。

具体实施方式

1、图1是本发明电容分压隔离型低功耗待机电源中电容分压整流滤波电路原理图。以一个例子来说明各个参数的计算方法：例交流电源电压ACin＝220伏，交流电源频率50Hz，设计一个空载输出电压Vo＝30V，最大工作电流Io为50mA的直流电源，根据公式三和公式四，Imax＝0.1A，C1＝Imax/ACinω＝0.1/(220×6.28×50)≈1.45×E-6(F)＝1.45UF，可采用1.5微法630伏的电容；根据公式二，可得C2＝(C1×ACin/0.707Vo)-C1＝(1.5×220/0.707×30)-1.5≈14UF，可采用15微法50伏的无极性电解电容；整流滤波电解电容C3的选取方法和普通直流电源相同，可选用470微法50伏，稳压管DZ1是用来吸收电网中的脉冲电压或本电源电路在极端情况下如刚断电又立刻通电时所可能出现的瞬态电压，其取值可比Vo大25％-35％，即比交流电压输入±20％的最高波动电压时的Vo值略高，可选用39V/2W或瞬态电压抑制二极管P6KE39A(39V/5W、瞬态峰值功率600W/1ms)，DZ1在正常工作时并不耗电；此电路在空载时没有任何消耗功率的元件，只是一个由C1C2构成的功率因数补偿电路。此电路空载功耗为零，最大输出功率为Vo×Io/2＝0.75W。

2、图2是本发明电容分压隔离型低功耗待机电源原理框图示意图，由电容分压整流滤波电路、低电压隔离型开关电源1、待机电路2组成，图2的左半部分就是图1电容分压整流滤波电路，右半部分的低电压隔离型开关电源1的电路和典型的开关电源相同，只是此开关电源是工作在图1电容分压整流滤波的低工作电压下，右半部分的待机电路2即是电器的待机电路。

3、图3是本发明电容分压隔离型低功耗待机电源实例电路一原理图，采用普通常用的开关电源控制芯片(如：UC3842)和光电耦合作为占空比隔离控制，与典型的开关电源电路完全相同，不一样的地方是开关管采用低耐压的即可，高频变压器的参数也要改变。

4、图4是本发明电容分压隔离型低功耗待机电源实例电路二电路原理图，采用低成本的自激式隔离型开关电源电路，电路简单，静态电流小，由于工作在低电压下，其空载功耗更低，很适合用于待机电源。下面以该电路为例说明本发明各个参数的设计方法。

设计要求：待机电路工作电压5±0.25伏，最大工作电流20毫安，要求驱动一个继电器以接通电器的交流电源，继电器选用24V，其驱动电流约为30mA，由于5伏20毫安输出的开关电源反映到输入端的电流要小于20mA，本实例电路的电容分压整流滤波电路的最大工作电流Io取Io＝30mA+20mA＝50mA即可满足继电器和待机电路所需要的电流要求，电容分压整流滤波电路的空载输出电压Vo取30V。根据图1的计算结果，C1采用1.5微法630伏的电容，C2采用15微法50伏的无极性电解电容，电解电容C3选用470微法50伏，稳压管DZ1选用39V/2W或瞬态电压抑制二极管P6KE39A(39V/5W、瞬态峰值功率600W/1ms)。电路其它元件的参数如图4所示，Q1选用100伏1W的NPN三极管，其中*R1的阻值应根据所选用的Q1的放大倍数略加调整，电阻R0是当交流电源断开时给C1放电的，可选为2.2MΩ。

图4电路工作原理：D1R3C4为高压吸收电路，当开关管Q1关断时，负责吸收线圈上的感应电压，从而防止高压加到开关管上而导致击穿；Q1为开关管，用来控制原边绕组L1与电源之间的通、断，当原边绕组不停的通断时，就会在开关变压器T1中形成变化的磁场，从而在次级绕组中产生感应电压；R1为启动电阻，给开关管提供启动用的基极电流；变压器左下方的绕组(取样绕组)L2的感应电压经整流二极管D2整流，C6电容滤波后形成取样电压，这取样电压是负的，取样电压经过稳压二极管DW2后，加至开关管Q1的基极，当输出电压越高时，取样电压就越负，当负到一定程度后，稳压二极管被击穿，从而将开关管Q1的基极电位拉低，这将导致开关管断开或者推迟开关的导通，从而控制了能量输入到变压器中，也就控制了输出电压的升高，实现了稳压输出的功能；而电阻R5跟串联的电容C5，则是正反馈支路，从取样绕组中取出感应电压，加到开关管的基极上，以维持振荡。右边的次级绕组L3中产生的感应电压经二极管D3整流，C7C8电容滤波后输出5V的电压。

此电路输出电压DCout在最大工作电流20毫安以内变化时，输出电压为5±0.25伏，已能满足设计要求，若输出电压要求更为严格可参照图5电路的方法。

5、图5是本发明电容分压隔离型低功耗待机电源实例电路二的一个完整的实际应用电路原理图，待机电路的电源采用低功耗低压差稳压IC(HT7105)二次稳压后提供，电压精度比图4电路更高。待机电路工作电压5±0.05伏，最大工作电流20毫安，控制电器的交流电源开关的继电器选用24V，其驱动电流约为30mA，驱动继电器的电源取自低电压隔离型开关电源之前如图5中的J1所示。

此待机电源本身的空载功耗实测小于40mW(空载功耗由开关管Q1的静态功耗和开关损耗形成)；当待机电路的待机电流为7毫安时，此待机电源的待机功耗约0.1瓦(待机时继电器是不工作的)，待机电流7毫安已能满足大部分待机电路工作电流的需求；当待机电路的待机电流为20毫安时，此待机电源的待机功耗约为0.25瓦；继电器J1的电源取自低电压隔离型开关电源之前即图5中的Vo处，继电器吸合之前该电压略高于继电器的额定工作电压约为30V，保证继电器能可靠吸合，而继电器吸合之后将引起电容分压整流滤波电路的输出电压降低至约20V，使得继电器的工作电流也有所减少，正好可以符合继电器吸合后的维持电流可以较小的特点，电压电流同时有所降低，就大大降低了电器进入工作状态时继电器吸合所消耗的功率，这是本发明用于待机电源的又一个节能优点，即不但待机时节能，而且电器进入工作状态时也比传统的待机电源节能。

此待机电源在交流电压±20％的波动范围内、继电器吸合并且待机电路工作电流20毫安时，测得低压差稳压IC HT7105输入电压为7±0.25伏，稳压后输出电压为5±0.05伏，符合设计要求。

本待机电源本身只消耗很少的功率，远远优于中国节能产品认证管理委员会针对家用电器节能认证法规的绿色节能电源标准，而且还具有功率因数补偿的作用，是真正的绿色节能型低功耗待机电源。

Claims (5)

1、电容分压隔离型低功耗待机电源，它包括电容C1、C2、整流桥BR1、稳压管DZ1、电解电容C3、低电压隔离型开关电源(1)和待机电路(2)组成，其特征在于：交流市电由C1、C2分压，BR1全桥整流，C3滤波，DZ1吸收瞬态电压，经低电压隔离型开关电源(1)稳压，形成隔离型稳压电源提供给待机电路(2)。

2、根据权利要求1所述的电容分压隔离型低功耗待机电源，其特征在于：所述的电容C1的一极接交流电源的一极，C1的另一极接C2的一极和BR1的一个交流输入端，C2的另一极接BR1的另一交流输入端并接入交流电源的另一极，BR1的正端输出接DZ1的负极和C3的正极，BR1的负端输出接DZ1的正极和C3的负极，得到未经稳压且没和电网隔离的低电压直流电源。

3、根据权利要求1所述的电容分压隔离型低功耗待机电源，其特征在于：所述的未经稳压且没和电网隔离的低电压直流电源经低电压隔离型开关电源(1)稳压得到隔离型稳压电源。

4、根据权利要求1所述的电容分压隔离型低功耗待机电源，其特征在于：所述的低电压隔离型开关电源(1)的控制芯片和开关管工作在未经稳压且没和电网隔离的低电压直流电源电压下。

5、根据权利要求1所述的电容分压隔离型低功耗待机电源，驱动一个继电器以接通交流电源，其特征在于：所述的继电器的驱动电源取自未经稳压且没和电网隔离的低电压直流电源。

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