CN201174058Y - 超微功耗待机电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型的目的在于提供一种具有功率因数补偿功能的超微功耗待机电源。为实现上述目的，本实用新型的技术解决方案是：交流市电先用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、线性稳压或开关电源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。由于本实用新型采用电容分压，在电网中呈容性，可以起到功率因数补偿的作用。本实用新型解决了目前各类电器设备待机电源待机功耗偏大的问题，在很多领域完全可以取代现有家电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。

Description

超微功耗待机电源

技术领域

本实用新型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超微功耗待机电源。

背景技术

全球能源面临危机，如何尽量减少能源的消耗已成为一个迫切的课题。2000年，经国际能源署的推动和倡导，国际上提出了用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”。为响应此计划，欧盟已与一些电器制造商签署了协议，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，据统计，仅去年，“能源之星”认证就为美国节能140亿美元。而我国的“1瓦计划”起步稍晚，2002年由中标认证中心开始制定中国的“1瓦计划”，并提出将“待机能耗为1瓦”升级为行业标准。在我国的上海市于今年“节能周”期间率先推出了上海的“1瓦计划”：5年内，上海20％家庭(共约130万户)的电器在待机状态下耗电将不超过1瓦。可见，推广超微功耗待机电源是全世界都面临的一个重要课题。

我国彩电保有量大约为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。家用电器中的电视机、空调机、电冰箱、电风扇、日光灯等，大部分属于感性负荷，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。如何降低感性电抗所消耗的无功功率，减少无功功率流动所造成的电能损耗，同样是减少能源消耗的一个课题。

将降低待机能耗的课题与实行无功补偿装置的课题有机结合起来，既降低电器的待机能耗，又减少了无功功率在电网中的流动，以降低线路输送无功功率造成的电能损耗来提高功率因数，使其在节能的同时还起到降损的作用，以实现绿色节能型的超微功耗要求，是本实用新型所要达到的目标。

要降低待机能耗，最重要的是要有一种超微功耗的待机电源，其本身基本不消耗功率。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，其待机能耗都太大。本实用新型打破传统，设计出一种新型的电容分压型待机电源，使待机电源本身的空载能耗可以达到毫瓦级。采用本实用新型的待机电源，不但可以轻易地使家用电器的待机能耗降低至1瓦甚至0.1瓦以下，而且由于本实用新型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，它不但具有节电功能，还能把无功功率转变为有功功率，是真正的绿色节能型的超微功耗电源！！！

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种具有功率因数补偿功能的超微功耗待机电源。为实现上述目的，本实用新型的技术解决方案是：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、线性稳压或开关电源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。由于本实用新型采用电容分压，在电网中呈容性，可以起到功率因数补偿的作用。本实用新型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。

电器设备中的空调机、电冰箱、电风扇、电磁炉、复印机、传真机、打印机、电视机、计算机显示器等，这些设备经常长时间的处于待机状态，同时这些电器基本上属于感性负荷，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率，而对这些电器进行功率因数补偿是减少无功功率流动的最有效的方法之一，电力用户常用的无功功率补偿设备是电容器。上述这些电器设备大部分都可以采用与交流电源不隔离的待机电源来给其待机电路供电，即可以采用本实用新型超微功耗待机电源。不隔离型待机电源的优点是电路简单，成本低，而且功耗特别小，所以如果电器设备允许，应尽可能采用这种方式给待机电路供电。

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，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超微功耗待机电源。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，本实用新型将打破传统，推出新的超微功耗待机电源，在实现节能的同时进行功率因数补偿。其解决方案示意图见图1、图2和图3。

图1是本实用新型具有功率因数补偿功能的超微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实用新型的核心部分，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。由于本实用新型没有使用变压器、开关管等会消耗功率或发热的元器件，因此比起采用其它方法的待机电源效率更高。

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。

图2、图3是本实用新型超微功耗待机电源应用电路一和应用电路二原理图。图2是在图1的基础上进一步稳压输出，以提高电源的输出电压特性，提供稳定的电压以驱动负载；图3是在图2的基础上增加电流扩展电路。其输出电压均为5V，最大输出电流图2为30mA，图3为100mA。稳压电路可采用微功耗低压差稳压IC(如：HT7105等)。以HT7105为例，其静态电流仅为4-5微安，当选择输入电压为15V时，则这两个电路的空载功耗仅为约0.7mW，其消耗功率非常之小，属于超微功耗待机电源，而且由于本实用新型在交流电网中呈容性，在待机状态和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超微功耗待机电源。

需要说明的是，由于待机电源所驱动的负载是红外遥控接收电路、单片机解码控制芯片、驱动电路、显示屏等，而这些电路的功率都是可以降低的，如选用低功耗的红外遥控接收IC、降低单片机的震荡频率、减少驱动电流、采用液晶显示以取代发光数码管等；通过低功耗设计，可以轻易地使这些电路的总工作电流控制在几个毫安甚至1毫安以下。但是由于传统的待机电源本身耗电太大，以至于降低这些电路的总工作电流的意义不大；而当采用本实用新型超微功耗待机电源时，由于本待机电源本身几乎不消耗功率，所消耗的只是待机电路+稳压电路的实际功率，没有其它损耗，若适当地降低待机电路的电流，甚至能很容易地使待机电路的总功耗控制在0.1瓦以下。

现有的交流电网功率因数偏低，本实用新型由于具有功率因数补偿功能，在现有电网中几乎是不耗电的，可理解为用于提供给负载的功率是通过功率因数补偿得来的，因为电容和电网中的感性负载互相交换能量，既提升了功率因数，又把所节省的部分能量用于驱动负载，其实质是把无功功率转变为有功功率，因此在节能的同时还起到功率因数补偿的作用，不但待机时进行功率因数补偿，而且电器进入工作状态时也进行功率因数补偿。

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，本实用新型由于采用电容分压整流滤波，继电器的电源可取自稳压前如图2图3所示。若选取继电器吸合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，从而大大降低电器工作时继电器所消耗的功率，这是本实用新型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。

本实用新型适用于待机电路不需要和交流电源隔离的电器作为待机电源，这种电器有很多，如空调机、电冰箱、有遥控功能的电风扇、电磁炉、复印机、传真机、打印机、热底盘的电视机及计算机显示器等等。发明人正在着手研究与交流电源隔离的超微功耗待机电源，以能适用于所有的电器作为待机电源。

采用本实用新型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，本实用新型在很多领域完全可以取代现有家电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。本实用新型是真正的绿色节能型超微功耗待机电源！！！

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明。

附图说明

图1本实用新型超微功耗待机电源中电容分压整流滤波电路原理图；

图2本实用新型超微功耗待机电源应用电路一原理图；

图3本实用新型超微功耗待机电源应用电路二原理图。

具体实施方式

1、图1是本实用新型超微功耗待机电源中电容分压整流滤波电路示意图。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＝220V，交流电源频率50Hz，设计一个空载输出电压Vo＝15V，最大工作电流Io为100mA的直流电源，根据公式三和公式四，Imax＝0.2A，C1＝Imax/ACin ω＝0.2/(220×6.28×50)≈2.89×E-6(F)＝2.89UF，可采用3微法630伏的电容；根据公式二，可得C2＝(C1×AC in/0.707Vo)-C1＝(3×220/0.707×15)-3≈59.2UF，可采用62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20V/2W或瞬态电压抑制二极管P6KE20A(20V/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是本实用新型超微功耗待机电源应用电路一原理图，采用HT7105或国产7105、7105-1、7105A-1等微功耗低压差稳压IC，稳压IC最大输入电压为24V，输出电压为5V，最大输出电流30mA，静态电流为4-5微安，可用于不需要交流电源隔离的电器作为低功耗待机电源，对于绝大部分电器的待机电路来说，30mA的工作电流已足够了。

设计时考虑到待机电源在电器工作时一般还要驱动一个继电器以接通电器的交流电源，继电器选用12V100mA，由于当继电器吸合后将引起电容分压整流滤波电路的输出电压Vo有所降低，同时使得继电器的工作电流也有所减少，本实用新型超微功耗待机电源中电容分压整流滤波电路的最大工作电流Io取100mA即可满足继电器所需要的电流和最大输出电流30mA的要求。低压差稳压IC HT7105额定功率输出时的最低输入电压Vo可选为7V，考虑到交流电压应允许有±20％的波动，选AV220伏时其输入电压为15V，则最高静态输入电压为15×120％＝18V，最低静态输入电压为15×80％＝12V；根据公式三和公式四，可算得C1＝0.2/(220×6.28×50)≈3UF，可采用3微法630伏的电容；根据公式二，可得C2＝(3×220/0.707×15)-3＝59.2UF，可采用62微法50伏的无极性电解电容；DZ1取20V/2W或瞬态电压抑制二极管P6KE20A，C3取470微法50伏电解电容；电阻R0是当交流电源断开时给C1放电的，可选为2.2MΩ。

此待机电源在交流电压在正常±20％的波动范围内、继电器吸合并且稳压IC输出电流为30mA时，测得最小的Vo略大于7V，符合设计要求。此待机电源空载功耗仅约为0.7-0.9mW，待机电路的待机电流为7毫安时其待机功耗约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；待机电路的待机电流为25毫安时，因为此时电容分压整流滤波电路的输出电压已有所下降，其待机功耗约0.3瓦；本待机电源本身几乎不消耗功率，所消耗的只是待机电路+稳压电路的实际功率，没有其它损耗。

此待机电源空载静态电流只是HT7105的4-5微安，空载功耗仅约为0.7-0.9mW，实可称为超微功耗超微功耗待机电源，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超微功耗待机电源。

3、图3是本实用新型超微功耗待机电源应用电路二原理图，采用HT7105等微功耗低压差稳压IC，加有电流扩展电路，输出电压5V，最大输出电流100mA，静态电流为4-5微安，可用于不需要交流电源隔离的电器作为低功耗直流稳压电源或低功耗待机电源。此加有电流扩展电路的待机电源可满足待机电流较大比如采用多个发光数码管的待机电路的耗电要求。

具体设计方法同图2，只是加上驱动继电器的电流后，电容分压整流滤波电路的最大工作电流Io应取为约200mA；根据公式三和公式四，可算得C1＝0.4/(220×6.28×50)≈5.8UF，可采用5.6微法630伏的电容；根据公式二，可得C2＝(5.6×220/0.707×15)-5.6≈110UF，可采用110微法50伏的无极性电解电容，110微法可由两个56微法并联代用；DZ1取20V/3W或瞬态电压抑制二极管P6KE20A，C3取470微法50伏电解电容；R0选为2.2MΩ。

此电路空载功耗仍约为0.7-0.9mW，实可称为超微功耗超微功耗待机电源，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超微功耗电源。

电源稳压IC在应用时都应考虑其输入电压的最大值不要超过其最大允许输入电压，本实用新型的具体实施例都有符合此要求。当电源稳压IC的最大允许输入电压较低时，如果电容分压整流滤波电路的输出电压Vo的最大值略超出稳压IC的最大允许输入电压时，本实用新型略加调整，可使额定功率输出时的最低输入电压选为略大于1/2×Vo，比如选为0.6Vo，这时就可降低稳压IC输入电压Vo的最大值，当然这时要增加最大短路电流Imax以使0.6Vo时仍有足够的工作电流。由于实际待机电路的工作电压都不太高，HT7105等稳压IC的最大输入电压足以满足使用要求，所以就不在这里作详细的计算说明了，应用者可以参照以上具体实施例自行计算并在设计时加以适当调整即可。

Claims (3)

1、超微功耗待机电源，其特征在于：它主要由电容C1、C2、整流桥BR1、稳压管DZ1、电解电容C3组成；电容C1的一极和电容C2的一极串联后与整流桥BR1的任一输入端相连接，电容C2的另一极与整流桥BR1的另一输入端相连接并与电容C1的另一极形成电路输入端ACin，整流桥BR1输出端的正极并接稳压管DZ1的负极，整流桥BR1输出端的负极并接稳压管DZ1的正极，电解电容C3的正极并接稳压管DZ1的负极形成电路输出端的正极，电解电容C3的负极并接稳压管DZ1的正极形成电路输出端的负极；交流市电从电路输入端ACin的两端输入，经过电容C1、C2分压，获得合适的低交流电压；通过整流桥BR1全桥整流，实现了交\直流电的转换；再由电解电容C3进行滤波；电解电容C3的正负极就是未经稳压的直流电输出端Vo的正负极。

2、根据权利要求1所述的超微功耗待机电源，其特征在于：它还包括一稳压管DZ1，稳压管DZ1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所可能出现的瞬态电压。

3、根据权利要求1所述的超微功耗待机电源，其特征在于：所述未经稳压的直流电输出端Vo可以进一步稳压输出，接入稳压IC形成稳压电源。

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