一種低壓待機(jī)電源的設(shè)計(jì)與研究

耿 程 郭 璇（河北省胸科醫(yī)院智能監(jiān)控室）

一種低壓待機(jī)電源的設(shè)計(jì)與研究

耿 程 郭 璇
（河北省胸科醫(yī)院智能監(jiān)控室）

摘 要：待機(jī)能耗是用電設(shè)備不可避免的損耗，為降低家用電器的待機(jī)損耗，本文提出一種用在隔離型待機(jī)電源上的低損耗電路，具有功率因數(shù)補(bǔ)償功能。該電路是根據(jù)電容分壓原理，先將市電由兩個(gè)電容分壓降為低壓交流電，經(jīng)過(guò)整流濾波獲得直流電壓，經(jīng)過(guò)隔離穩(wěn)壓、保護(hù)電路后給待機(jī)電路供電。根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)際應(yīng)用待機(jī)電路，該待機(jī)電路損耗低于1W，低于傳統(tǒng)的待機(jī)電路，滿足“1W計(jì)劃”的要求。通過(guò)本電路不僅可以解決家用電器等設(shè)備待機(jī)損耗過(guò)大，同時(shí)由于該電路具有顯容性還有一定的無(wú)功補(bǔ)償功能。對(duì)減少能源消耗、緩解日趨緊張的能源壓力和環(huán)保壓力等有較高的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電容分壓；待機(jī)電源；低損耗；無(wú)功補(bǔ)償

0　引言

待機(jī)能耗是指產(chǎn)品在關(guān)機(jī)或不行使其原始功能時(shí)的能源消耗，待機(jī)能耗在整個(gè)電器能量消費(fèi)中占有較高的比例。研究顯示，在經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織成員國(guó)中，家用電器待機(jī)損耗占到家庭用電總量的3%～13%，約占整個(gè)國(guó)家用電量的1.5%；而家居生活和商業(yè)活動(dòng)中的待機(jī)損耗總和可達(dá)到國(guó)家用電量的2.2%，由此相應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳占二氧化碳排放總量的1%。待機(jī)用電量不僅造成了經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)，也對(duì)環(huán)境形成影響[1]。因此，國(guó)際能源署和我國(guó)中標(biāo)認(rèn)證中心都有降低電器待機(jī)損耗、將待機(jī)損耗降到1W以下的要求，分別于2000年和2002年制定了“1W計(jì)劃”，同時(shí)將“待機(jī)能耗為1W”升級(jí)為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

將市電直接降壓整流獲得低壓直流電源是待機(jī)電源最常用的取電方式，目前實(shí)現(xiàn)從交流市電到低壓直流作為待機(jī)電源的方法主要有三種，即變壓器降壓型、開(kāi)關(guān)電源型和電容限流降壓型[2,3]。最常用的獲得直流穩(wěn)壓電源方法是變壓器降壓型和開(kāi)關(guān)電源型。但就待機(jī)低功耗要求來(lái)說(shuō)，這兩種方法都無(wú)法滿足“1W計(jì)劃”的要求。變壓器降壓型直流電源需要使用工頻變壓器降壓，而工頻變壓器存在鐵損與銅損，本身會(huì)發(fā)熱，降低了變壓器的效率，這是不可避免的，而降低銅損和鐵損的方法是優(yōu)化變壓器的設(shè)計(jì)，這對(duì)設(shè)計(jì)提高了要求，并且提升空間有限。因此即使變壓器空載時(shí)損耗也會(huì)達(dá)到好幾瓦，明顯不能達(dá)到低損耗要求。開(kāi)關(guān)電源型電源是將市電直接整流濾波獲得較高電壓的直流，然后通過(guò)DC?DC變換獲得低壓直流電，通過(guò)改變脈沖占空比調(diào)節(jié)輸出功率，雖然省去了變壓器空載損耗，但是它的缺點(diǎn)在于當(dāng)負(fù)載很小或者空載時(shí)，開(kāi)關(guān)脈沖的占空比也很小，此時(shí)仍需從高電壓直流處取電，因此即使很小的靜態(tài)電流以及開(kāi)關(guān)器件的損耗都會(huì)造成不小的待機(jī)損耗。第三種方法是電容限流降壓法，即利用電容的漏電流從市電獲得直流電源的方法，它采用電容限流降壓，經(jīng)整流濾波后再由穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓獲得直流電源，其最大的缺點(diǎn)在于當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，其大部分功率消耗在穩(wěn)壓管或者其他并聯(lián)穩(wěn)壓電路上，待機(jī)損耗很大，效率很低，而且因?yàn)榉€(wěn)壓電路消耗功率較大，這限制了電源的輸出功率，所以基于電容限流分壓的穩(wěn)壓電源的功率做不大；另外一個(gè)缺點(diǎn)是整流濾波后，直流電壓實(shí)際上全由穩(wěn)壓管承受，一旦穩(wěn)壓管失效，直流電壓將直接加到負(fù)載上，有可能立即將負(fù)載電路燒壞，這種電容限流降壓型電源既無(wú)法滿足高效率的要求，也不適合用來(lái)做待機(jī)電源[4,5]。

由此可見(jiàn)，上述三種類(lèi)型的電源電路都無(wú)法滿足低損耗的要求，不適合作為待機(jī)電源。目前大多數(shù)使用的電源都存在輕載或者待機(jī)狀態(tài)下效率急劇下降的問(wèn)題，但輕載或者待機(jī)狀態(tài)又是電器很常見(jiàn)的工作狀態(tài)[6-9]。因此本文提出了一種電容分壓型低功耗待機(jī)電源，其空載能耗可以低于1W，優(yōu)于常見(jiàn)的待機(jī)電源，并且在實(shí)現(xiàn)降低待機(jī)損耗功能的同時(shí)還能無(wú)功補(bǔ)償。

1　待機(jī)電源原理分析

本設(shè)計(jì)從降低待機(jī)損耗出發(fā)，原理如圖1所示，其核心部分是電容分壓整流，它由分壓電容C1和C2、整流電路、保護(hù)電路（壓敏電阻VDR1）、穩(wěn)壓濾波電路（二極管DW1）和電解電容C3組成。

圖1　待機(jī)電源原理圖

220V市電ACin經(jīng)過(guò)分壓電容C1和C2分壓，獲得低壓交流電，根據(jù)電容分壓原理，其有效值為式中，ACin為交流輸入市電有效值，ACin經(jīng)全橋整流濾波后，得到未經(jīng)穩(wěn)壓和隔離的直流電壓V0，不考慮整流二極管的壓降，則空載時(shí)直流電壓為

通過(guò)分析可知，短路時(shí)，最大短路電流為式中，ω為交流市電角頻率。電路帶負(fù)載時(shí)，由最大傳輸原理，輸出功率逐漸增大時(shí)，其最大功率輸出發(fā)生在0.5V0時(shí)，此時(shí)電流

當(dāng)輸出電壓V0較高時(shí)，由于電容C1兩端的電壓微降，會(huì)產(chǎn)生系數(shù)K。如果想要把電容分壓電路應(yīng)用到穩(wěn)壓電源作為待機(jī)電源，只需要將輸出電壓控制在

0.5V0和V0之間[10-12]。圖中的穩(wěn)壓管DW1和壓敏電阻VDR1都是用來(lái)保護(hù)電路。在實(shí)際應(yīng)用中DW1的取值比V0最大值略高一些，用來(lái)吸收電路分壓后可能出現(xiàn)的脈沖電壓，或者電源電路在極端情況下（例如剛斷電又通電情況下）所產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓，以保護(hù)IC不會(huì)超過(guò)極限電壓而損壞[13,14]。在正常工作時(shí)，由于取值比V0的最大值略高，所以DW1上沒(méi)有電流流過(guò)，即DW1并不耗電。

2　電路設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證

2.1 應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

在圖1的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)例應(yīng)用電路，按照常規(guī)的待機(jī)電路，一般是通過(guò)驅(qū)動(dòng)繼電器將家用電器與交流市電接通，從而使其由待機(jī)狀態(tài)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。在本設(shè)計(jì)中采用電容分壓整流濾波，在隔離型開(kāi)關(guān)電源電路之前為繼電器供電，為了保證繼電器能可靠吸合，在繼電器吸合之前，該電壓應(yīng)略高于繼電器的額定電壓。此外，一旦繼電器吸合，會(huì)引起整流電路的輸出電壓略有下降，這將使繼電器的工作電流隨之減少，這也剛好滿足繼電器吸合后維持電流要比吸合電流小的情形。最重要的一點(diǎn)在于繼電器吸合后，維持電壓電流同時(shí)降低，這就大大降低了維持繼電器吸合所消耗的功率。待機(jī)狀態(tài)節(jié)能，進(jìn)入正常工作后時(shí)也節(jié)能，這正是本設(shè)計(jì)最大的優(yōu)點(diǎn)。

在分析上述低功耗待機(jī)電源工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)驅(qū)動(dòng)繼電器以接通電器的交流電源的實(shí)用待機(jī)電路。這個(gè)待機(jī)電路工作待機(jī)電壓為5V，最大工作電流為20mA的，繼電器選用24V，驅(qū)動(dòng)電流約為30mA。因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)，電容分壓取電電路的最大工作電流I0取（30+20）mA，即整流輸出50mA，空載輸出電壓選為30V（略高于繼電器額定電壓）即可滿足要求繼電器和待機(jī)電路電流要求，電路如圖2所示。

圖2　一個(gè)實(shí)用待機(jī)電路

根據(jù)式（3）得到C1=1.45μF，取C1=1.5μF。根據(jù)式（2）得到C2=15μF，二極管D1和電容C4構(gòu)成典型的RCD緩沖吸收電路，負(fù)責(zé)吸收開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷時(shí)線圈上的感應(yīng)過(guò)電壓，從而保護(hù)開(kāi)關(guān)管防止因?yàn)檫^(guò)壓而導(dǎo)致?lián)舸?。通過(guò)控制Q1的開(kāi)斷來(lái)控制一次繞組L1與電源間的通斷，這也是最常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)電源工作原理，當(dāng)一次繞組的電流不停地通斷時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理就會(huì)在開(kāi)關(guān)變壓器T1中形成變化的磁場(chǎng)，從而在二次繞組中感應(yīng)出電壓；R1為開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的啟動(dòng)電阻，啟動(dòng)電阻的電壓為開(kāi)關(guān)管提供基極電流；L2是取樣繞組，感應(yīng)出的電壓經(jīng)整流二極管整流、C6電容濾波后形成取樣電壓，通過(guò)合理設(shè)計(jì)電路，使這個(gè)取樣電壓為負(fù)值，取樣電壓經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓二極管DW2穩(wěn)壓后，加至開(kāi)關(guān)管Q1的基極，當(dāng)二次輸出電壓越高時(shí)，取樣電壓的絕對(duì)值越大即負(fù)的越多，當(dāng)這個(gè)負(fù)電壓的絕對(duì)值大到一定程度后，穩(wěn)壓二極管會(huì)被擊穿，拉低開(kāi)關(guān)管的基極電位，這將推遲開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通甚至關(guān)斷開(kāi)關(guān)管，實(shí)現(xiàn)控制了能量輸入變壓器的目的，同時(shí)控制了變壓器輸出電壓的升高，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)壓輸出的功能；電阻R5和電容C5串聯(lián)構(gòu)成正反饋支路，通過(guò)從取樣繞組中取出感應(yīng)電壓，加到開(kāi)關(guān)管基極上，以維持振蕩。二次繞組L3中的感應(yīng)電壓經(jīng)過(guò)二極管D3整流以及C7、C8電容濾波后輸出5V的電壓，就構(gòu)成設(shè)計(jì)的待機(jī)電源。

此待機(jī)電路輸出直流電壓DCout最大工作電流為20mA，輸出電壓為5V，當(dāng)繼電器吸合時(shí)電流最大為50mA，待機(jī)損耗不到1W，已經(jīng)滿足要求“1W計(jì)劃”的要求。這個(gè)電路有三個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：

1）電路在空載時(shí)沒(méi)有任何消耗功率的元件，空載零損耗；

2）電路能夠自動(dòng)限流，一旦發(fā)生短路，功耗急劇下降；

3）電路顯容性，具有功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

2.2 電路仿真與分析

為了檢驗(yàn)電路的穩(wěn)定性和可靠性，在電源電壓的一個(gè)周期內(nèi)的不同時(shí)刻對(duì)待機(jī)電路進(jìn)行投入使用，投入時(shí)間分別為0s、0.005s、0.01s、0.015s、0.02s。仿真結(jié)果如圖3所示。

通過(guò)仿真可以發(fā)現(xiàn)，在不同的時(shí)間投入待機(jī)電路均不會(huì)引起過(guò)電壓。同時(shí)，對(duì)待機(jī)電路掉電再上電過(guò)程進(jìn)行了仿真，負(fù)載為感性負(fù)載，斷電時(shí)間為0.1s，即掉電時(shí)間分別為1s、1.005s、1.01s、1.015s、1.02s,間隔0.1s上電，即上電時(shí)間為1.1s、1.105s、1.11s、1.115s、1.12s，其結(jié)果如圖4所示。

圖3　電源電壓不同相位投入待機(jī)電路暫態(tài)特性

圖4　待機(jī)電路掉電上電暫態(tài)仿真

通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，待機(jī)電路掉電再上電過(guò)程會(huì)有暫態(tài)電壓出現(xiàn)，暫態(tài)電壓的大小與上電相位有關(guān)。為了抑制這個(gè)暫態(tài)電壓，在整流橋前加了壓敏電阻VDR1，在整流橋后加了穩(wěn)壓二極管DW1，從而抑制過(guò)電壓帶來(lái)的損壞。

3　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)電容分壓獲取的待機(jī)電源與傳統(tǒng)的待機(jī)電源相比，待機(jī)功耗小于1W，因此本設(shè)計(jì)完全滿足“1W計(jì)劃”的要求。利用壓敏電阻和穩(wěn)壓管吸收暫態(tài)過(guò)電壓可以有效保護(hù)電路，因此本文提出的低功耗待機(jī)電源可以取代傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源有變壓器降壓型待機(jī)電源和開(kāi)關(guān)電源型直流待機(jī)電源，既保證了待機(jī)低功耗，又可以提高交流電網(wǎng)的功率因數(shù)及電源的利用率，明顯改善了交流電網(wǎng)的諧波電流。同時(shí)對(duì)減少能源消耗、緩解環(huán)保壓力方面有積極的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 張友軍. 降低開(kāi)關(guān)電源待機(jī)損耗的技術(shù)研究. 電測(cè)與儀表[J]. 2005, 42(477): 25-28.

收稿日期：（2015-05-04）