CN105429486A - 一种实现小于0.1uw功耗待机电源电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现小于0.1uw功耗待机电源电路，其特征在于，包括第一电容、第二电容、第三电容、全波整流桥、第一可控开关、第二可控开关、电压取样控制单元；所述的第一电容的一端连接全波整流桥的一个输入端，第二电容的一端连接全波整流桥的另一个输入端；所述的第一电容的另一端和第二电容的另一端作为交流电的输入端；所述的第一可控开关的一端连接全波整流桥的一个输入端，第二可控开关的一端连接波整流桥的另一个输入端，第一可控开关的另一端和第二可控开关的另一端共同连接全波整流桥的一个输出端；本发明做到了待机电源电路小于0.1uw功耗的目标。

Description

一种实现小于0.1uw功耗待机电源电路
技术领域
本发明涉及一种电源电路，属于微电子技术领域。
背景技术
待机功耗在最近十几年来越来越受到人们关注，因为当电器插头未从插座拔出或没有切断同电网的连接，尽管这些电器不在被使用或不处在工作状态，但却在消耗着电能。这种待机功耗涉及到人们生活和工作的各个领域，各种用电设备，范围之广，待机时间之长，浪费电能总和之巨，不仅是经济问题，也是环保问题，也是安全隐患。成为人类社会急需解决的问题。十几年来，国内外无数的人们做了很多努力，发明了各种各样的方法，企图实现待机状态时零功耗。美国德州仪器(TI)公司2015年新研发成功的零功耗待机芯片UCC28730算是比较成功的，不足的是仅勉强把待机功耗做到＜5mw。与此相同的还有美国PI公司做到＜4mw，法国ST公司做到＜5mw等等。他们没能把待机功耗做到零的主要原因是在待机时，他们还采用传统的开关电源方式工作，尽管把待机时的频率降到几十Hz但还是不可避免高电压大电流下的开关功耗，铜损和铁损。如果把这样的芯片用到电子和电器产品整机上，在待机时还会增加整机系统连接时的一些功耗，整机更做不到零功耗待机了，所以到现在为止，人们还看不到不拔下电源插头，不断开电网的链接，停止使用的电器能够做到不耗电(零功耗待机)。
发明内容
本发明的目的是解决目前的电子电器设备待机功耗无法降到毫瓦以下的技术问题。
为了实现以上的目的，本发明解决技术问题的技术方案是：一种实现小于0.1uw功耗待机电源电路，其特征在于，包括第一电容、第二电容、第三电容、全波整流桥、第一可控开关、第二可控开关、电压取样控制单元；
所述的第一电容的一端连接全波整流桥的一个输入端，第二电容的一端连接全波整流桥的另一个输入端；
所述的第一电容的另一端和第二电容的另一端作为交流电的输入端；
所述的第一可控开关的一端连接全波整流桥的一个输入端，第二可控开关的一端连接波整流桥的另一个输入端，第一可控开关的另一端和第二可控开关的另一端共同连接全波整流桥的一个输出端；
所述的全波整流桥的输出端并联第三电容；
所述的电压取样控制单元并联于全波整流桥的输出端，电压取样控制单元根据全波整流桥的输出电压的大小控制第一可控开关和第二可控开关的断开与闭合。
进一步，所述的全波整流桥包括第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管；
所述的第一整流二极管的负极端连接第四整流二极管的负极端，第四整流二极管的正极端连接第三整流二极管的负极端，第三整流二极管的正极端连接第二整流二极管的正极端，第二整流二极管的负极端连接第一整流二极管的正极端；
所述的第一电容的一端连接第一整流二极管和第二整流二极管的公共节点；
所述的第二电容的一端连接第三整流二极管和第四整流二极管的公共节点；
所述的第一电容的另一端和第二电容的另一端作为交流电的输入端；
所述的第二整流二极管的两端并联第一可控开关；
所述的第三整流二极管的两端并联第二可控开关；
第一整流二极管和第四整流二极管的公共节点、第二整流二极管和第三整流二极管的公共节点作为整流桥的输出端并联第三电容；
所述的电压取样控制单元并联于整流桥的输出端，电压取样控制单元根据整流桥的输出电压的大小控制第一可控开关和第二可控开关的断开与闭合。
一种实现小于0.1uw功耗待机电源电路，其特征在于，包括第一电容、第二电容、半波整流桥、第一可控开关、电压取样控制单元；
所述的第一电容的一端连接半波整流桥的一个输入端；
所述的第一电容的另一端和半波整流桥的另一个输入端作为交流电的输入端；
所述的第一可控开关的一端连接半波整流桥的输入端与第一电容的公共节点，第一可控开关的另一端连接半波整流桥的另一个输入端；
所述的半波整流桥的输出端并联第三电容；
所述的电压取样控制单元并联于半波整流桥的输出端，电压取样控制单元根据半波整流桥的输出电压的大小控制第一可控开关的断开与闭合。
进一步，所述的半波整流桥包括第一整流二极管、第二整流二极管；
所述的第一整流二极管的负极端连接第二整流二极管的正极端，第二整流二极管的负极端与第一整流二极管的正极端作为整流桥的输出端；
所述的第一电容的一端连接第一整流二极管和第二整流二极管的公共节点；
所述的第一电容的另一端和第一整流二极管的正极端作为交流电的输入端；
所述的第二电容并联于整流桥的输出端；
所述的第一可控开关并联于第一整流二极管的两端；
所述的电压取样控制单元并联于整流桥的输出端，电压取样控制单元根据整流桥的输出电压的大小控制第一可控开关的断开与闭合。
其中，所述的第一可控开关可以采用可控晶闸管实现；也可以采用双极晶体管或场效应晶体管实现。
有益效果：本发明的待机电源电路真正实现了小于0.1uw的目标，为家庭和工厂的电气设备节省了大量的电能。
附图说明
图1是本发明采用全波整流桥的电路原理示意图；
图2是本发明采用半波整流桥的电路原理示意图；
图3是图1的一个具体实施例原理图；
图4是图2的一个具体实施例原理图。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明的技术方案。
实施例1一种实现小于0.1uw功耗待机电源电路，其特征在于，包括第一电容、第二电容、第三电容、全波整流桥、第一可控开关、第二可控开关、电压取样控制单元；
所述的第一电容的一端连接全波整流桥的一个输入端，第二电容的一端连接全波整流桥的另一个输入端；
所述的第一电容的另一端和第二电容的另一端作为交流电的输入端；
所述的第一可控开关的一端连接全波整流桥的一个输入端，第二可控开关的一端连接波整流桥的另一个输入端，第一可控开关的另一端和第二可控开关的另一端共同连接全波整流桥的一个输出端；
所述的全波整流桥的输出端并联第三电容；
所述的电压取样控制单元并联于全波整流桥的输出端，电压取样控制单元根据全波整流桥的输出电压的大小控制第一可控开关和第二可控开关的断开与闭合。
进一步，所述的全波整流桥包括第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管；
所述的第一整流二极管的负极端连接第四整流二极管的负极端，第四整流二极管的正极端连接第三整流二极管的负极端，第三整流二极管的正极端连接第二整流二极管的正极端，第二整流二极管的负极端连接第一整流二极管的正极端；
所述的第一电容的一端连接第一整流二极管和第二整流二极管的公共节点；
所述的第二电容的一端连接第三整流二极管和第四整流二极管的公共节点；
所述的第一电容的另一端和第二电容的另一端作为交流电的输入端；
所述的第二整流二极管的两端并联第一可控开关；
所述的第三整流二极管的两端并联第二可控开关；
第一整流二极管和第四整流二极管的公共节点、第二整流二极管和第三整流二极管的公共节点作为整流桥的输出端并联第三电容；
所述的电压取样控制单元并联于整流桥的输出端，电压取样控制单元根据整流桥的输出电压的大小控制第一可控开关和第二可控开关的断开与闭合。其中，第三电容可以采用无极性电容也可以采用电解电容。
实施例2：一种实现小于0.1uw功耗待机电源电路，其特征在于，包括第一电容、第二电容、半波整流桥、第一可控开关、电压取样控制单元；
所述的第一电容的一端连接半波整流桥的一个输入端；
所述的第一电容的另一端和半波整流桥的另一个输入端作为交流电的输入端；
所述的第一可控开关的一端连接半波整流桥的输入端与第一电容的公共节点，第一可控开关的另一端连接半波整流桥的另一个输入端；
所述的半波整流桥的输出端并联第三电容；
所述的电压取样控制单元并联于半波整流桥的输出端，电压取样控制单元根据半波整流桥的输出电压的大小控制第一可控开关的断开与闭合。
进一步，所述的半波整流桥包括第一整流二极管、第二整流二极管；
所述的第一整流二极管的负极端连接第二整流二极管的正极端，第二整流二极管的负极端与第一整流二极管的正极端作为整流桥的输出端；
所述的第一电容的一端连接第一整流二极管和第二整流二极管的公共节点；
所述的第一电容的另一端和第一整流二极管的正极端作为交流电的输入端；
所述的第二电容并联于整流桥的输出端；
所述的第一可控开关并联于第一整流二极管的两端；
所述的电压取样控制单元并联于整流桥的输出端，电压取样控制单元根据整流桥的输出电压的大小控制第一可控开关的断开与闭合。
其中，所述的第一可控开关可以采用可控晶闸管实现；也可以采用双极晶体管或场效应晶体管实现。其中，第二电容可以采用无极性电容也可以采用电解电容。
本发明的方法创造了一种不同于传统开关电源的电容电抗式开关电源设计方法。传统的开关电源是利用电感或变压器通过PWM和FM功率开关通过在高电压大电流下的调宽和调频形成稳定的电源，这就不可避免的产生了可观开关脉冲前后沿斜率形成的开关损耗和电感变压器的磁路损耗和线电阻损耗。当然还有整个开关电源电路自身的损耗。所以根本不可能实现零功耗的待机电源。而本发明新创造的电容电抗式开关电源通过采用无损耗的电容电抗.电子开关.电压取样电路构成几乎不存在电能损耗的容抗式开关电源。
本发明工作原理说明：本发明的零功耗(小于0.1uw)待机电源其基本的设计方法是利用电容的电抗在交流电路中的恒流和限流作用通过整流装置对低压大电容充电，同时为保证电容电压稳定，由接在电容两端的电压取样控制电路进行监测和控制，当电压达到设定值时控制电子开关(即可控开关)将充电电容越过整流电路，直接并接到电网，停止向电容充电。当电压由于长时间使用低于电压设定值时，电压取样电路控制电子开关将充电电容回复到通过整流装置向电容补充电量，使其电压稳定。由于本发明完全是在工频(50Hz或60Hz)低频微小电流电子开关工作。完全避免了普通开关电源工作在高电压大电流时开关损耗(上升沿，下降沿斜率，导通压降等)和变压器在高电压大电流工作时的铜损和铁损。新设计零功耗电路时使用的是电压取样和电压控制，这使得零待机电源在待机状态耗电甚微。
根据我们实际测量和计算，在完全待机情况下，这些微小的工作电流，需要100S周期内补充电20uA时长1mS，如电源电压设定为5v，那么平均功耗就为0.1uW.基本实现零功耗待机电源的目标。
完成了零功耗待机电源后下一步骤就是要设计将其用于各种电子电器整机的接口和控制方式，在该电源上至少要设置3个口，一个探测脉冲输出口，一个探测信号输入口和一个启动整机电源输出口。比如用于电视机空调等使用遥控器的电器时，将探测脉冲电压加到红外接收模块上，当探测信号端收到红外线信号时立即从启动口立即启动解码器电源，如果发现是开机信号就打开整机电源，整机正常工作，当使用者用遥控器把整机关闭，整机所有电源均关闭，重新回到零功耗待机电源值守状态，整机耗电为零。对于间歇式工作的整机如电冰箱类也是一样，只是将探测脉冲电压加到温度测试模块上，探测信号端收到启动信号，控制电冰箱制冷系统工作，到达设定温度后。制冷系统停止工作，使电冰箱在不制冷时由零功耗待机电源值守状态，整机耗电为零。再比如对手机和电动车充电器一类是通过启动整机电源输出口启动充电器工作，然后通过预设在电池一侧的电流传感器向探测信号端传送电池是否在充电，如发现电池已经充满或离开充电器。则充电器开关电源停止工作，进入由零功耗待机电源值守状态。充电器耗电为零。还有使用非常广泛的电源变换器，它的使用方法与充电器相同，只要发现电源变换器输出端没有负载接入就进入零功耗待机电源值守状态，电源变换器耗电为零。另外所有键控设备如微波炉，电饭煲，电磁灶，洗衣机，复印件，打印机等等。探测信号可以加在一次侧(市电一侧)，也可以通过启动端加到二次侧，使得这类设备在停止使用时，进入零功耗待机电源值守状态，整机耗电为零。综上所述该零功耗待机电源可以用在所有待机时存在耗电的整机设备上，把这些设备变成绿色的待机时不耗电设备。探测脉冲的重复频率和探测脉冲宽度的选择以不漏掉信息的前提下，尽量降低频率减小宽度，最好把待机时探测功耗控制在微瓦级。
目前一般功耗为uw级别行业内就可以称为零功耗了。
本发明的零功耗待机电源的推广应用：
不仅是为人们节省了不必要的经济浪费，因为每个家庭就有十几到几十个待机还耗电的大小设备，如果全国十几亿人口和世界几十亿人口，社会总量是巨大的。当把所有的设备待机都变成绿色的不消耗电能的时候，人类可以少建多少个发电厂，少烧多少吨煤和油，可以减少多少二氧化碳排放，可以减少多少安全事故，这是人们盼望已久的。通过这项发明的推广使用相信可以把中国和世界的待机功耗标准推到顶点“0”。

Claims (8)

1.一种实现小于0.1uw功耗待机电源电路，其特征在于，包括第一电容、第二电容、第三电容、全波整流桥、第一可控开关、第二可控开关、电压取样控制单元；
所述的第一电容的一端连接全波整流桥的一个输入端，第二电容的一端连接全波整流桥的另一个输入端；
所述的第一电容的另一端和第二电容的另一端作为交流电的输入端；
所述的第一可控开关的一端连接全波整流桥的一个输入端，第二可控开关的一端连接波整流桥的另一个输入端，第一可控开关的另一端和第二可控开关的另一端共同连接全波整流桥的一个输出端；
所述的全波整流桥的输出端并联第三电容；
所述的电压取样控制单元并联于全波整流桥的输出端，电压取样控制单元根据全波整流桥的输出电压的大小控制第一可控开关和第二可控开关的断开与闭合。
2.根据权利要求1所述的一种实现小于0.1uw功耗待机电源电路，其特征在于，全波整流桥包括第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管；
所述的第一整流二极管的负极端连接第四整流二极管的负极端，第四整流二极管的正极端连接第三整流二极管的负极端，第三整流二极管的正极端连接第二整流二极管的正极端，第二整流二极管的负极端连接第一整流二极管的正极端；
所述的第一电容的一端连接第一整流二极管和第二整流二极管的公共节点；
所述的第二电容的一端连接第三整流二极管和第四整流二极管的公共节点；
所述的第一电容的另一端和第二电容的另一端作为交流电的输入端；
所述的第二整流二极管的两端并联第一可控开关；
所述的第三整流二极管的两端并联第二可控开关；
第一整流二极管和第四整流二极管的公共节点、第二整流二极管和第三整流二极管的公共节点作为整流桥的输出端并联第三电容；
所述的电压取样控制单元并联于整流桥的输出端，电压取样控制单元根据整流桥的输出电压的大小控制第一可控开关和第二可控开关的断开与闭合。
3.根据权利要求1所述的实现小于0.1uw功耗待机电源电路，其特征在于，所述的第一可控开关和第二可控开关采用可控晶闸管实现。
4.根据权利要求1所述的实现小于0.1uw功耗待机电源电路，其特征在于，所述的第一可控开关和第二可控开关采用双极晶体管或场效应晶体管实现。
5.一种实现小于0.1uw功耗待机电源电路，其特征在于，包括第一电容、第二电容、半波整流桥、第一可控开关、电压取样控制单元；
所述的第一电容的一端连接半波整流桥的一个输入端；
所述的第一电容的另一端和半波整流桥的另一个输入端作为交流电的输入端；
所述的第一可控开关的一端连接半波整流桥的输入端与第一电容的公共节点，第一可控开关的另一端连接半波整流桥的另一个输入端；
所述的半波整流桥的输出端并联第三电容；
所述的电压取样控制单元并联于半波整流桥的输出端，电压取样控制单元根据半波整流桥的输出电压的大小控制第一可控开关的断开与闭合。
6.根据权利要求5所述的一种实现小于0.1uw功耗待机电源电路，其特征在于，所述的半波整流桥包括第一整流二极管、第二整流二极管；
所述的第一整流二极管的负极端连接第二整流二极管的正极端，第二整流二极管的负极端与第一整流二极管的正极端作为整流桥的输出端；
所述的第一电容的一端连接第一整流二极管和第二整流二极管的公共节点；
所述的第一电容的另一端和第一整流二极管的正极端作为交流电的输入端；
所述的第二电容并联于整流桥的输出端；
所述的第一可控开关并联于第一整流二极管的两端；
所述的电压取样控制单元并联于整流桥的输出端，电压取样控制单元根据整流桥的输出电压的大小控制第一可控开关的断开与闭合。
7.根据权利要求5所述的实现小于0.1uw功耗待机电源电路，其特征在于，所述的第一可控开关采用可控晶闸管实现。
8.根据权利要求5所述的实现小于0.1uw功耗待机电源电路，其特征在于，所述的第一可控开关采用双极晶体管或场效应晶体管实现。
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