耿 程 郭 璇（河北省胸科醫(yī)院智能監(jiān)控室）

一種低壓待機電源的設計與研究

耿 程 郭 璇
（河北省胸科醫(yī)院智能監(jiān)控室）

摘 要：待機能耗是用電設備不可避免的損耗，為降低家用電器的待機損耗，本文提出一種用在隔離型待機電源上的低損耗電路，具有功率因數補償功能。該電路是根據電容分壓原理，先將市電由兩個電容分壓降為低壓交流電，經過整流濾波獲得直流電壓，經過隔離穩(wěn)壓、保護電路后給待機電路供電。根據這個原理設計了一個實際應用待機電路，該待機電路損耗低于1W，低于傳統的待機電路，滿足“1W計劃”的要求。通過本電路不僅可以解決家用電器等設備待機損耗過大，同時由于該電路具有顯容性還有一定的無功補償功能。對減少能源消耗、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值。

關鍵詞：電容分壓；待機電源；低損耗；無功補償

0　引言

待機能耗是指產品在關機或不行使其原始功能時的能源消耗，待機能耗在整個電器能量消費中占有較高的比例。研究顯示，在經濟合作與發(fā)展組織成員國中，家用電器待機損耗占到家庭用電總量的3%～13%，約占整個國家用電量的1.5%；而家居生活和商業(yè)活動中的待機損耗總和可達到國家用電量的2.2%，由此相應產生的二氧化碳占二氧化碳排放總量的1%。待機用電量不僅造成了經濟上的浪費，也對環(huán)境形成影響[1]。因此，國際能源署和我國中標認證中心都有降低電器待機損耗、將待機損耗降到1W以下的要求，分別于2000年和2002年制定了“1W計劃”，同時將“待機能耗為1W”升級為行業(yè)標準。

將市電直接降壓整流獲得低壓直流電源是待機電源最常用的取電方式，目前實現從交流市電到低壓直流作為待機電源的方法主要有三種，即變壓器降壓型、開關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關電源型。但就待機低功耗要求來說，這兩種方法都無法滿足“1W計劃”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)化變壓器的設計，這對設計提高了要求，并且提升空間有限。因此即使變壓器空載時損耗也會達到好幾瓦，明顯不能達到低損耗要求。開關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DC?DC變換獲得低壓直流電，通過改變脈沖占空比調節(jié)輸出功率，雖然省去了變壓器空載損耗，但是它的缺點在于當負載很小或者空載時，開關脈沖的占空比也很小，此時仍需從高電壓直流處取電，因此即使很小的靜態(tài)電流以及開關器件的損耗都會造成不小的待機損耗。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，其最大的缺點在于當負載較小時，其大部分功率消耗在穩(wěn)壓管或者其他并聯穩(wěn)壓電路上，待機損耗很大，效率很低，而且因為穩(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；另外一個缺點是整流濾波后，直流電壓實際上全由穩(wěn)壓管承受，一旦穩(wěn)壓管失效，直流電壓將直接加到負載上，有可能立即將負載電路燒壞，這種電容限流降壓型電源既無法滿足高效率的要求，也不適合用來做待機電源[4,5]。

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

1　待機電源原理分析

本設計從降低待機損耗出發(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　待機電源原理圖

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

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

當輸出電壓V0較高時，由于電容C1兩端的電壓微降，會產生系數K。如果想要把電容分壓電路應用到穩(wěn)壓電源作為待機電源，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都是用來保護電路。在實際應用中DW1的取值比V0最大值略高一些，用來吸收電路分壓后可能出現的脈沖電壓，或者電源電路在極端情況下（例如剛斷電又通電情況下）所產生的瞬態(tài)電壓，以保護IC不會超過極限電壓而損壞[13,14]。在正常工作時，由于取值比V0的最大值略高，所以DW1上沒有電流流過，即DW1并不耗電。

2　電路設計與仿真驗證

2.1 應用電路設計

在圖1的基礎上，設計了一個實例應用電路，按照常規(guī)的待機電路，一般是通過驅動繼電器將家用電器與交流市電接通，從而使其由待機狀態(tài)進入正常工作狀態(tài)。在本設計中采用電容分壓整流濾波，在隔離型開關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，該電壓應略高于繼電器的額定電壓。此外，一旦繼電器吸合，會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。最重要的一點在于繼電器吸合后，維持電壓電流同時降低，這就大大降低了維持繼電器吸合所消耗的功率。待機狀態(tài)節(jié)能，進入正常工作后時也節(jié)能，這正是本設計最大的優(yōu)點。

在分析上述低功耗待機電源工作原理的基礎上，設計了一個驅動繼電器以接通電器的交流電源的實用待機電路。這個待機電路工作待機電壓為5V，最大工作電流為20mA的，繼電器選用24V，驅動電流約為30mA。因此在設計電路時，電容分壓取電電路的最大工作電流I0?。?0+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電路電流要求，電路如圖2所示。

圖2　一個實用待機電路

根據式（3）得到C1=1.45μF，取C1=1.5μF。根據式（2）得到C2=15μF，二極管D1和電容C4構成典型的RCD緩沖吸收電路，負責吸收開關管Q1關斷時線圈上的感應過電壓，從而保護開關管防止因為過壓而導致擊穿。通過控制Q1的開斷來控制一次繞組L1與電源間的通斷，這也是最常見的開關電源工作原理，當一次繞組的電流不停地通斷時，根據電磁感應原理就會在開關變壓器T1中形成變化的磁場，從而在二次繞組中感應出電壓；R1為開關管導通的啟動電阻，啟動電阻的電壓為開關管提供基極電流；L2是取樣繞組，感應出的電壓經整流二極管整流、C6電容濾波后形成取樣電壓，通過合理設計電路，使這個取樣電壓為負值，取樣電壓經過穩(wěn)壓二極管DW2穩(wěn)壓后，加至開關管Q1的基極，當二次輸出電壓越高時，取樣電壓的絕對值越大即負的越多，當這個負電壓的絕對值大到一定程度后，穩(wěn)壓二極管會被擊穿，拉低開關管的基極電位，這將推遲開關管的導通甚至關斷開關管，實現控制了能量輸入變壓器的目的，同時控制了變壓器輸出電壓的升高，實現了穩(wěn)壓輸出的功能；電阻R5和電容C5串聯構成正反饋支路，通過從取樣繞組中取出感應電壓，加到開關管基極上，以維持振蕩。二次繞組L3中的感應電壓經過二極管D3整流以及C7、C8電容濾波后輸出5V的電壓，就構成設計的待機電源。

此待機電路輸出直流電壓DCout最大工作電流為20mA，輸出電壓為5V，當繼電器吸合時電流最大為50mA，待機損耗不到1W，已經滿足要求“1W計劃”的要求。這個電路有三個明顯的優(yōu)點：

1）電路在空載時沒有任何消耗功率的元件，空載零損耗；

2）電路能夠自動限流，一旦發(fā)生短路，功耗急劇下降；

3）電路顯容性，具有功率因數補償的作用。

2.2 電路仿真與分析

為了檢驗電路的穩(wěn)定性和可靠性，在電源電壓的一個周期內的不同時刻對待機電路進行投入使用，投入時間分別為0s、0.005s、0.01s、0.015s、0.02s。仿真結果如圖3所示。

通過仿真可以發(fā)現，在不同的時間投入待機電路均不會引起過電壓。同時，對待機電路掉電再上電過程進行了仿真，負載為感性負載，斷電時間為0.1s，即掉電時間分別為1s、1.005s、1.01s、1.015s、1.02s,間隔0.1s上電，即上電時間為1.1s、1.105s、1.11s、1.115s、1.12s，其結果如圖4所示。

圖3　電源電壓不同相位投入待機電路暫態(tài)特性

圖4　待機電路掉電上電暫態(tài)仿真

通過仿真發(fā)現，待機電路掉電再上電過程會有暫態(tài)電壓出現，暫態(tài)電壓的大小與上電相位有關。為了抑制這個暫態(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，從而抑制過電壓帶來的損壞。

3　結束語

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

參考文獻

[1] 張友軍. 降低開關電源待機損耗的技術研究. 電測與儀表[J]. 2005, 42(477): 25-28.

收稿日期：（2015-05-04）