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(廈門優(yōu)勝衛(wèi)廚科技有限公司 福建 廈門 361000)

前言

在能源愈發(fā)緊張、全球溫室效應(yīng)導(dǎo)致一系列自然災(zāi)害以及環(huán)保節(jié)能的意識(shí)越來越強(qiáng)的情況下，電器待機(jī)低功耗也成為了大家重視的話題。待機(jī)能耗是日用家電產(chǎn)品在待機(jī)功能狀態(tài)下的電能消耗。中國(guó)節(jié)能認(rèn)證中心在調(diào)查后發(fā)現(xiàn)我國(guó)城市家庭的平均待機(jī)能耗相當(dāng)于這些家庭每天都在使用一盞15～30 W的長(zhǎng)明燈，待機(jī)能耗就像吸血蟲一樣吸食著電費(fèi)和能源，同時(shí)也制造著巨大的環(huán)保壓力[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電流在待機(jī)電器中消耗的電力累計(jì)平均每年每個(gè)家庭要浪費(fèi)100度電。歐洲ERP指令(按IEC62301)，更是對(duì)待機(jī)能耗提出了標(biāo)準(zhǔn)要求，不超過0.5 W。我國(guó)節(jié)能認(rèn)證中心也著重強(qiáng)調(diào)了待機(jī)能耗問題，逐漸的提升標(biāo)準(zhǔn)要求并出臺(tái)相關(guān)待機(jī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 35758。隨著智能坐便器的普及，智能坐便器的待機(jī)功耗也將使家庭的待機(jī)能耗增加。但是目前，中國(guó)建筑材料協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)T/CBMF 15-2019、T/CBCSA 15-2019中關(guān)于智能坐便器待機(jī)功耗要求為不大于2.0 W[3]。智能坐便器的待機(jī)功耗標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)高于其他普通家用電器，兩者最大的區(qū)別就是在于，智能坐便器中增加了漏電保護(hù)插頭。而智能坐便器與漏電保護(hù)插頭是兩個(gè)不同廠家，待機(jī)功耗是典型的(1.0 W+1.0 W)，漏電保護(hù)插頭本身的待機(jī)功耗已經(jīng)在1.0 W。筆者重在研究設(shè)計(jì)新的漏電保護(hù)插頭電路，使漏電保護(hù)插頭能有超低待機(jī)功耗，助力智能坐便器的整機(jī)待機(jī)功耗能達(dá)到國(guó)家、歐美等對(duì)電器的待機(jī)能耗要求，對(duì)未來提升我國(guó)智能坐便器能效標(biāo)準(zhǔn)、倡導(dǎo)綠色環(huán)保、促進(jìn)消費(fèi)升級(jí)都有著非常重要的意義。

1 漏電保護(hù)插頭電路原理

隨著智能坐便器的普及，漏電保護(hù)插頭將被廣泛應(yīng)用。漏電保護(hù)器，主要是用來在電器發(fā)生漏電故障時(shí)，以及對(duì)有致命危險(xiǎn)的人身觸電保護(hù)。智能坐便器通水通市電，并且在衛(wèi)生間的潮濕甚至有水淋的環(huán)境下使用，決定了必然需要增加漏電保護(hù)插頭，以保證人身安全。

漏電保護(hù)插頭，用于檢測(cè)火線和零線上的漏電信號(hào)，當(dāng)有人觸電或智能坐便器漏電時(shí)，l漏電保護(hù)插頭通過檢測(cè)和處理剩余電流可靠地動(dòng)作，切斷電源[4]。電路原理圖以市面上漏電保護(hù)插頭工作芯片方案使用用量最大的復(fù)旦微VG54123芯片為例：

如圖1，當(dāng)有漏電信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，零電流互感器(ZCT)檢測(cè)到電信號(hào)，其次級(jí)線圈輸出電流，作為漏電保護(hù)器芯片的輸入。當(dāng)漏電流的RMS值大于漏電保護(hù)器規(guī)定的額定電流時(shí)，VG54123芯片兩個(gè)引腳Vr、In之間比較，VG54123芯片輸出OS引腳產(chǎn)生動(dòng)作電平，該電平脈寬持續(xù)30ms左右。可控硅SCR導(dǎo)通，脫扣機(jī)構(gòu)COIL脫扣，開關(guān)SW1彈開，L/N斷開，漏電保護(hù)插頭切斷市電電源。

圖1 傳統(tǒng)漏電保護(hù)插頭電路原理圖

2 漏電保護(hù)插頭待機(jī)功耗計(jì)算

功耗的計(jì)算公式為：W=Pt

在待機(jī)的情況下，也就是時(shí)間是相同的，持續(xù)的。所以我們只需要計(jì)算漏電保護(hù)插頭電路的平均功率(按市電AC220V)。

電功率計(jì)算公式：P =UI，根據(jù)歐姆定律U=IR代入P=UI中還可以得到：P=I×IR=(U×U)/R

由圖一可知，當(dāng)未發(fā)生漏電、觸電，即漏電保護(hù)芯片VG54123處于待機(jī)狀態(tài)。此時(shí)整個(gè)漏電保護(hù)的主要功耗可以分為四部分：

P1：AC整流成電壓311 V降壓到12 V(VG54123芯片工作電壓)，299 V電壓在限流電阻R1、R2、R3上的功耗

P2：VG54123芯片待機(jī)功耗

P3：漏電保護(hù)插頭指示LED燈功耗

P4：LED上限流電阻R8、R9、R10上的功耗

根據(jù)上面的公式，可以計(jì)算得出：

P1=(U×U)/R=(299 V×299 V)/(47 K+47 K+10 k)=0.859 W

P2為漏保芯片VG54123待機(jī)功耗，查規(guī)格書，如下表1，可得P=UI=12 V×580 μA=0.007 W

表1 漏保芯片VG54123待機(jī)耗電電流

P3為紅色LED燈功耗，P=UI=2.0 V×0.5 mA=0.001 W

P4=I×IR=0.5 mA×0.5 mA×(180 K+180 K+180 K)=0.135 W

總功率為：P=P1+P2+P3+P4=0.859 W+0.007 W+0.001 W+0.135 W=1.0 W

所以，總功耗在1.0 W，而再加上L/N線上的損耗，市面上智能坐便器的整機(jī)功耗只會(huì)大于1.0 W。這也就是中國(guó)建筑建材協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)把智能坐便器待機(jī)能耗定為，不大于2.0 W。但這個(gè)值遠(yuǎn)大于家電待機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。

3 超低待機(jī)漏電保護(hù)插頭功耗計(jì)算

通過上面對(duì)漏電保護(hù)插頭功耗的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，其實(shí)最大的待機(jī)功耗是P1(0.859 W)、P4(0.135 W)，都是在限流電阻上的損耗。而限流電阻其實(shí)不是漏電保護(hù)拓?fù)涞谋匾?，是因?yàn)楦唠妷恨D(zhuǎn)低電壓，需要電阻分壓限流。如果該電路能有一個(gè)低電壓的供電，那么就可以減少這些不必要的損耗。

那么，我們就設(shè)計(jì)一個(gè)電路滿足漏電保護(hù)芯片及LED燈供電電壓，即高壓轉(zhuǎn)低壓的電路。原理圖如下：

同上可知，計(jì)算功耗，我們只需要計(jì)算圖2電路的平均功率(按市電AC220V)。

圖2 超低功耗漏電保護(hù)插頭電路原理圖

P1：為IC2降壓芯片BP2522B的待機(jī)功耗，查芯片BP2522B的規(guī)格書，可知待機(jī)功耗為0.02 W

P2：為降壓芯片BP2522B的輸出效率反算值(輸出給P3/P4/P5功耗的效率)，按照降壓芯片BP2522B的最低轉(zhuǎn)換效率50%計(jì)算，

P3：同上可知，漏電IC1保護(hù)芯片VG54123待機(jī)功耗0.007 W

P4：同上可知，漏電保護(hù)插頭指示LED1燈功耗0.001 W

P5：LED上限流電阻R5上的功耗P5=I×IR=0.5 mA×0.5 mA×24 K=0.006 W

按照50%效率計(jì)算P2=(P3+P4+P4)/0.5=(0.007 W+0.001 W+0.006 W)/0.5=0.03 W

超低待機(jī)漏保插頭的總功耗為：

P=P1+P2=0.02 W+0.03 W=0.05 W

新設(shè)計(jì)的漏電保護(hù)插頭的功耗為0.05 W，功耗只有市面上漏電保護(hù)插頭功耗的1/10。超低的漏電保護(hù)插頭的功耗，加上智能坐便器的待機(jī)功耗，總功耗做到了不超過0.5 W的普通家電待機(jī)能耗標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 兩種漏電保護(hù)插頭待機(jī)能耗測(cè)試

兩種漏電保護(hù)插頭，按GB/T 35758中待機(jī)模式要求進(jìn)行試驗(yàn)，在不同輸入電壓下測(cè)試的待機(jī)能耗如表2所示。

表2 不同輸入電壓下兩種漏電保護(hù)插頭的待機(jī)功耗

樣品測(cè)試結(jié)果與理論值非常接近，圖2的漏電保護(hù)插頭原理，待機(jī)功耗完全可以做到零功耗。

以下圖3，圖4分別為兩種漏電保護(hù)插頭PCBA。

圖3 傳統(tǒng)漏電保護(hù)插頭

圖4 超低待機(jī)功耗漏電保護(hù)插頭

5 總結(jié)

智能坐便器將會(huì)像彩電，冰箱等家電普及到千家萬(wàn)戶。而帶有漏電保護(hù)插頭的智能坐便器待機(jī)功耗，也將是衛(wèi)浴行業(yè)所要面臨的一個(gè)新挑戰(zhàn)。筆者通過對(duì)現(xiàn)有智能坐便器待機(jī)功耗的分析研究，對(duì)漏電保護(hù)插頭待機(jī)功耗的分析研究，突破制約智能坐便器待機(jī)功耗的問題，重新設(shè)計(jì)新的漏電保護(hù)電路，助力開發(fā)出符合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外家電待機(jī)功耗標(biāo)準(zhǔn)的帶漏電保護(hù)插頭的智能坐便器, 為推動(dòng)智能坐便器家電化，減少能源浪費(fèi)和可持續(xù)發(fā)展提供保障。