超微功耗待機電源的制作方法

專利名稱：超微功耗待機電源的制作方法
技術領域：
本發明屬于直流穩壓電源技術領域，特別是涉及一種具有功率因數補償功 能的超微功耗待機電源。
背景技術：
全球能源面臨危機，如何盡量減少能源的消耗已成為一個迫切的課題。2000 年，經國際能源署的推動和倡導，國際上提出了用IO年時間將全球所有電器的 待機能耗降到l瓦的"l瓦計劃"。為響應此計劃，歐盟已與一些電器制造商 簽署了協議，承諾逐年降低待機能耗，到2010年將大部分設備的待機能耗降至 1瓦；美國環保局和能源部也發起了 "能源之星"計劃，據統計，僅去年，"能 源之星"認證就為美國節能140億美元。而我國的"1瓦計劃"起步稍晚，2002 年由中標認證中心開始制定中國的"l瓦計劃"，并提出將"待機能耗為1瓦" 升級為行業標準。在我國的上海市于今年"節能周，，期間率先推出了上海的"1 瓦計劃"5年內，上海20%家庭(共約130萬戶)的電器在待機狀態下耗電 將不超過1瓦。可見，推廣超微功耗待機電源是全世界都面臨的一個重要課題。
我國彩電保有量大約為5億臺，空調機保有量大約為1. 3億臺，全國每年 僅這兩件家用電器所消耗的待機能耗就可達50億度電能。家用電器中的電視機、 空調機、電冰箱、電風扇、日光燈等，大部分屬于感性負荷，在運行過程中需 向這些設備提供相應的無功功率。如何降低感性電抗所消耗的無功功率，減少 無功功率流動所造成的電能損耗，同樣是減少能源消耗的一個課題。
將降低待機能耗的課題與實行無功補償裝置的課題有機結合起來，既降低 電器的待機能耗，又減少了無功功率在電網中的流動，以降低線路輸送無功功 率造成的電能損耗來提高功率因數，使其在節能的同時還起到降損的作用，以 實現綠色節能型的超微功耗要求，是本發明所要達到的目標。
要降低待機能耗，最重要的是要有一種超微功耗的待機電源，其本身基本 不消耗功率。我們知道，電器從交流電源處獲得低壓直流電源是一種最常用最 經濟的的待機電源來源，實現從交流電源處獲得低壓直流電源的方法有變壓器降壓型直流穩壓電源和開關電源型直流穩壓電源，但對于低耗能要求來說，這 兩種方法都是有缺陷的，其待機能耗都太大。本發明打破傳統，設計出一種新 型的電容分壓型待機電源，使待機電源本身的空載能耗可以達到毫瓦級。采用 本發明的待機電源，不但可以輕易地使家用電器的待機能耗降低至1瓦甚至0. 1 瓦以下，而且由于本發明在交流電網中呈容性，同時還具有功率因數補償功能， 能提高用電功率因數、減少功率損耗、吸收電網的諧波電流和有害脈沖，它不 但具有節電功能，還能把無功功率轉變為有功功率，是真正的綠色節能型的超
微功耗電源！！！

發明內容
本發明的目的在于提供一種具有功率因數補償功能的超微功耗待機電源。
為實現上述目的，本發明的技術解決方案是交流市電先由電容分壓得到一個 較為合適的低壓交流電，再經過整流濾波、線性穩壓或開關電源穩壓以獲得穩 定的直流電壓，提供給電器的待機電路作為待機電源。由于本發明采用電容分 壓，在電網中呈容性，可以起到功率因數補償的作用。本發明解決了目前各類 電器設備待機電源待機功耗偏大的問題，同時具有無功功率補償的作用。
電器設備中的空調機、電水箱、電風扇、電磁爐、復印機、傳真機、打印 機、電視機、計算機顯示器等，這些設備經常長時間的處于待機狀態，同時這 些電器基本上屬于感性負荷，在運行過程中需向這些設備提供相應的無功功率， 而對這些電器進行功率因數補償是減少無功功率流動的最有效的方法之一，電 力用戶常用的無功功率補償設備是電容器。上述這些電器設備大部分都可以采 用與交流電源不隔離的待機電源來給其待機電路供電，即可以采用本發明超微 功耗待機電源。不隔離型待機電源的優點是電路簡單，成本低，而且功耗特別 小，所以如果電器設備允許，應盡可能采用這種方式給待機電路供電。
目前常用的直流穩壓電源有變壓器降壓型直流穩壓電源和開關電源型直流 穩壓電源。但對于低耗能要求來說，這兩種方法都是有缺陷的變壓器降壓型 直流穩壓電源中，工頻變壓器存在鐵損和銅損，本身還會發熱，效率很低，空 載時僅變壓器耗電就會達到好幾瓦；而開關電源型直流穩壓電源雖然省去了工頻變壓器，但在輕載或者待機狀態下，因開關脈沖的占空比很低，又必須從交 流電源整流濾波的高電壓下取得工作電源，此時只要有一點點的靜態電流和開
關損耗就會消耗不少功率，交流220V整流濾波后直流電壓有310V,開關電路即 開關電源的控制芯片和開關管的開關損耗哪怕只有10mA的電流，空載功耗就已 超過3瓦，其空載或輕載時效率也很低，事實上開關電源的高效率是在額定功 率下測得的。另外，還有一種使用電容從交流市電獲得穩壓電源的方法，是采 用電容限流，經整流濾波后再由穩壓管或并聯穩壓電路穩壓，其缺點之一是當 負載較輕或空載時，其電流大部分或全部由穩壓管或并聯穩壓電路吸收，其效 率很低，空載時效率最低，而且因為穩壓管要消耗很大的功率，所以這種穩壓 電源的功率做不大；其缺點之二是整流濾波后空載時所可能達到的最高為310V 的直流電壓實際上是由穩壓管承受著，當穩壓管一旦失效，則該直流電壓將直 接加在負載上，很可能立即擊壞負載電路，所以這種電容限流的電源既不符合 高效率的節能要求，也不宜用來取代普通的穩壓電源。
由此可見，以上這幾種穩壓電源都不適合用作超微功耗待機電源。輕載或 者待機狀態下效率急劇下降是現有電源設備的通病，但輕載或者待機狀態又是 電器很常用的工作狀態，本發明將打破傳統，推出新的超微功耗待機電源，在 實現節能的同時進行功率因數補償。其解決方案示意圖見圖l、圖2和圖3。
圖1是本發明具有功率因數補償功能的超微功耗待機電源之電容分壓整流 濾波示意圖。電容分壓整流濾波是本發明的核心部分，它由電容C1C2、整流橋 BR1、穩壓管DZ1、電解電容C3組成。交流市電ACin經ClC2分壓，所得交流電 壓有效值為AC1 = [ Cl/ (Cl+C2) ] x ACin (公式一)，其中ACin為交流輸入電 壓有效值；AC1經BR1全橋整流，C3濾波，得到未經穩壓且沒和電網隔離的直 流電壓Vo，若忽略整流二極管的壓降，空載時Vo 1.414 AC1 = 1. 414[ Cl/ (Cl+C2) ] x ACin (/>式二)。短3各時其最大短3各電流Imax由Cl決定，Imax = ACincoCl (公式三)，其中co為交流輸入電壓角頻率。有負載時，根據最大傳輸 原理，當負載逐漸加大，其最大功率輸出發生在1/2xVo時，此時電流Io-K x 1/2 x lmax (公式四)，可稱Io為最大工作電流，K是當所選的Vo較高時使 Cl兩端電壓略有下降而產生的一個系凄t， K=(l. 414ACin-l/2 x Vo)/1. 414ACin(公式五)，大多數情況下K=0. 9-1. 0，當所選的Vo不太高時可近似取K4。只 要我們所設計的穩壓電源電路能正常地工作在1/2 x Vo至Vo之間，就能把電容 分壓電路應用于直流穩壓電源中。在圖1中穩壓管DZ1不是用于穩壓，DZ1的取 值比Vo的最大值略高，是用來吸收交流市電經Cl、 C2分壓再經整流濾波后可 能出現的脈沖電壓或本電源電路在極端情況下(如剛斷電又立刻通電)所可 能出現的瞬態電壓，以保護穩壓IC不會超過極限電壓而損壞；在正常工作時， 因為取值比Vo的最大值略高，DZ1上沒有電流流過，所以DZ1并不耗電。由于 本發明沒有使用變壓器、開關管等會消耗功率或發熱的元器件，因此比起采用 其它方法的待機電源效率更高。
圖1電路有三個很重要的優點其一是圖1電路在工作中沒有任何消耗功 率的元件，它在空載時是不耗電的！！！其二是圖1電路具有自動限流功能，不 怕短路，短路時其功耗反而急劇減少；其三是圖1電路還有一個非常可貴的特 點在交流電網中呈容性，可以起到功率因數補償的作用。
圖2、圖3是本發明超微功耗待機電源應用電路一和應用電路二原理圖。圖 2是在圖1的基礎上進一步穩壓輸出，以提高電源的輸出電壓特性，提供穩定的 電壓以驅動負載；圖3是在圖2的基礎上增加電流擴展電路。其輸出電壓均為 5V,最大輸出電流圖2為30mA，圖3為100mA。穩壓電路可釆用微功耗低壓差 穩壓IC(如HT7105等)。以HT7105為例，其靜態電流僅為4-5微安，當選擇 輸入電壓為15V時，則這兩個電路的空載功耗僅為約0. 7mW，其消耗功率非常之 小，屬于超微功耗待機電源，而且由于本發明在交流電網中呈容性，在待機狀 態和電器工作時都可以起到功率因數補償、降低諧波電流污染的作用，因此是 真正的綠色節能型的超微功耗待機電源。
需要說明的是，由于待機電源所驅動的負載是紅外遙控接收電路、單片機 解碼控制芯片、驅動電路、顯示屏等，而這些電路的功率都是可以降低的，如 選用低功耗的紅外遙控接收IC、降低單片機的震蕩頻率、減少驅動電流、采用 液晶顯示以取代發光數碼管等；通過低功耗設計，可以輕易地使這些電路的總 工作電流控制在幾個毫安甚至1毫安以下。但是由于傳統的待機電源本身耗電 太大，以至于降低這些電路的總工作電流的意義不大；而當采用本發明超微功耗待機電源時，由于本待機電源本身幾乎不消耗功率，所消耗的只是待機電路+ 穩壓電路的實際功率，沒有其它損耗，若適當地降低待機電路的電流，甚至能 很容易地使待機電路的總功耗控制在0. 1瓦以下。
現有的交流電網功率因數偏低，本發明由于具有功率因數補償功能，在現 有電網中幾乎是不耗電的，可理解為用于提供給負載的功率是通過功率因數補 償得來的，因為電容和電網中的感性負載互相交換能量，既提升了功率因數， 又把所節省的部分能量用于驅動負載，其實質是把無功功率轉變為有功功率， 因此在節能的同時還起到功率因數補償的作用，不但待機時進行功率因數補償， 而且電器進入工作狀態時也進行功率因數補償。
當電器從待機狀態進入工作狀態時， 一般是驅動一個繼電器以接通交流電
源，本發明由于采用電容分壓整流濾波，繼電器的電源可取自穩壓前如圖2圖3
所示。若選取繼電器吸合前該電壓略高于繼電器的額定工作電壓，保證繼電器 能可靠吸合，而由于繼電器吸合后將引起電容分壓整流濾波電路的輸出電壓有 所降低，同時使得繼電器的工作電流也有所減少，正好可以符合繼電器吸合后 的維持電流可以較小的特點，從而大大降低電器工作時繼電器所消耗的功率， 這是本發明用于待機電源的又一個節能優點，即不但待機時節能，而且電器進 入工作狀態時也比傳統的待機電源節能。
本發明適用于待機電路不需要和交流電源隔離的電器作為待機電源，這種 電器有很多，如空調機、電水箱、有遙控功能的電風扇、電磁爐、復印機、傳 真機、打印機、熱底盤的電視機及計算機顯示器等等。發明人正在著手研究與 交流電源隔離的超微功耗待機電源，以能適用于所有的電器作為待機電源。
采用本發明將很容易實現對節能環保要求最苛刻的歐盟所提出的待機功率
不超過1W的長遠目標，滿足美國環保局和能源部發起的"能源之星"計劃的要 求，并推動我國中標認證中心執行的"1瓦計劃"的實施進程。
綜上所述，本發明在很多領域完全可以取代現有家電的待機電源從而提高 電源的利用率，并能提升交流電網的功率因數、改善交流電網的諧波電流，對 減少能源的消耗、緩解日趨緊張的能源壓力和環保壓力都有積極的作用。本發 明是真正的綠色節能型超微功耗待機電源！ ！ ！作進一步的說明。


圖1本發明超微功耗待機電源中電容分壓整流濾波電路原理圖； 圖2本發明超微功耗待機電源應用電路一原理圖； 圖3本發明超微功耗待機電源應用電路二原理圖。
具體實施例方式
1、 圖l是本發明超微功耗待機電源中電容分壓整流濾波電路示意圖。以一 個例子來說明各個參數的計算方法例交流電源電壓ACin=220V，交流電源頻率 50Hz，設計一個空載輸出電壓Vo=15V，最大工作電流Io為100mA的直流電源， 才艮才居/>式三和/>式四，Imax=0.2A， Cl=Imax/ACin co =0. 2/(220 x 6. 28 x 50) 2. 89xE-6(F) = 2. 89UF，可采用3微法630伏的電容；根據公式二，可得C2=
(CI x ACin/0. 707Vo ) -Cl= ( 3 x 220/0. 707 x 15 ) -3 59. 2UF，可采用62微法 50伏的無極性電解電容；整流濾波電解電容C3的選取方法和普通直流電源相同， 可選用470微法50伏，穩壓管DZ1是用來吸收電網中的脈沖電壓或本電源電路 在極端情況下如剛斷電又立刻通電時所可能出現的瞬態電壓，其取 f直可比Vo大 25%-35%,即比交流電壓輸入±20%的最高波動電壓時的Vo值略高，可選用 20V/2W或瞬態電壓抑制二極管P6KE20A(20V/5W、瞬態峰值功率600W/lms )， DZ1 在正常工作時并不耗電；此電路在空載時沒有任何消耗功率的元件，只是一個 由C1C2構成的功率因數補償電路。此電路空載功耗為零，最大輸出功率為Vo
x Io/2=0. 75W。
2、 圖2是本發明超微功耗待機電源應用電路一原理圖，采用HT7105或國 產7105、 7105-1、 7105A-1等微功耗低壓差穩壓IC，穩壓IC最大輸入電壓為 24V，輸出電壓為5V,最大輸出電流30mA，靜態電流為4-5微安，可用于不需 要交流電源隔離的電器作為低功耗待機電源，對于絕大部分電器的待機電路來 說，3 OmA的工作電流已足夠了 。
設計時考慮到待機電源在電器工作時一^:還要驅動 一個繼電器以接通電器的交流電源，繼電器選用12V100mA,由于當繼電器吸合后將引起電容分壓整流 濾波電路的輸出電壓Vo有所降低，同時使得繼電器的工作電流也有所減少，本 發明超微功耗待機電源中電容分壓整流濾波電路的最大工作電流Io取100mA即 可滿足繼電器所需要的電流和最大輸出電流30mA的要求。低壓差穩壓IC HT7105 額定功率輸出時的最低輸入電壓Vo可選為7V,考慮到交流電壓應允許有±20% 的波動，選AV220伏時其輸入電壓為15V,則最高靜態輸入電壓為15x120% =18V,最低靜態輸入電壓為15x80%=12V;根據公式三和公式四，可算得CI =0.2/(220 x 6. 28 x 50) -3UF,可采用3微法630伏的電容；根據公式二，可得 C2= ( 3 x 220/0. 707 x 15 ) -3=59. 2UF，可采用62微法50伏的無極性電解電容； DZ1取20V/2W或瞬態電壓抑制二極管P6KE20A, C3取470孩t法50伏電解電容； 電阻R0是當交流電源斷開時給C1放電的，可選為2.2MQ。
此待機電源在交流電壓在正常± 20%的波動范圍內、繼電器吸合并且穩壓 IC輸出電流為30mA時，測得最小的Vo略大于7V,符合設計要求。此待機電源 空載功耗僅約為0. 7-0. 9mW,待機電路的待機電流為7毫安時其待機功耗約0. 1 瓦(待機時繼電器是不工作的)，待機電流7毫安已能滿足大部分待機電路工作 電流的需求；待機電路的待機電流為25毫安時，因為此時電容分壓整流濾波電 路的輸出電壓已有所下降，其待機功耗約0.3瓦；本待機電源本身幾乎不消耗 功率，所消耗的只是待機電路+穩壓電路的實際功率，沒有其它損耗。
此待機電源空載靜態電流只是HT7105的4-5微安，空載功耗僅約為 0. 7-0. 9mW，實可稱為超孩史功耗超微功耗待機電源，遠遠優于中國節能產品i人證 管理委員會針對家用電器節能認證法規的綠色節能電源標準，而且還具有功率 因數補償的作用，是真正的綠色節能型超微功耗待機電源。
3、圖3是本發明超微功耗待機電源應用電路二原理圖，采用HT7105等微 功耗低壓差穩壓IC，加有電流擴展電路，輸出電壓5V,最大輸出電流100mA, 靜態電流為4-5微安，可用于不需要交流電源隔離的電器作為低功耗直流穩壓 電源或低功耗待機電源。此加有電流擴展電路的待機電源可滿足待機電流較大 比如采用多個發光數碼管的待機電路的耗電要求。
具體設計方法同圖2，只是加上驅動繼電器的電流后，電容分壓整流濾波電路的最大工作電流Io應取為約200mA;根據公式三和公式四，可算得 C1=0. 4/(220 x 6. 28 x 50) 5, 8UF,可采用5. 6微法630伏的電容；根據公式二， 可得C2-(5. 6 x 220/0. 707 x 15 ) -5.6 -110UF,可采用ll(M鼓法50伏的無極性 電解電容，110微法可由兩個56微法并聯代用；DZ1取20V/3W或瞬態電壓抑制 二極管P6KE20A， C3取470微法50伏電解電容；R0選為2. 2MQ。
此電路空載功耗仍約為0. 7-0. 9mW，實可稱為超微功耗超纟數功耗待機電源， 遠遠優于中國節能產品認證管理委員會針對家用電器節能認證法規的綠色節能 電源標準，而且還具有功率因數補償的作用，是真正的綠色節能型超微功耗電 源。
電源穩壓IC在應用時都應考慮其輸入電壓的最大值不要超過其最大允許輸 入電壓，本發明的具體實施例都有符合此要求。當電源穩壓IC的最大允許輸入 電壓較低時，如果電容分壓整流濾波電路的輸出電壓Vo的最大值略超出穩壓IC 的最大允許輸入電壓時，本發明略加調整，可使額定功率輸出時的最低輸入電 壓選為略大于1/2 x Vo,比如選為0. 6Vo，這時就可降低穩壓IC輸入電壓Vo的 最大值，當然這時要增加最大短路電流Imax以使0. 6Vo時仍有足夠的工作電流。 由于實際待機電路的工作電壓都不太高，HT7105等穩壓IC的最大輸入電壓足以 滿足使用要求，所以就不在這里作詳細的計算說明了，應用者可以參照以上具 體實施例自行計算并在設計時加以適當調整即可。
權利要求
1、超微功耗待機電源，其特征在于它主要由電容(C1)、(C2)、整流橋(BR1)、穩壓管(DZ1)、電解電容(C3)組成；電容(C1)的一極和電容(C2)的一極串聯后與整流橋(BR1)的任一輸入端相連接，電容(C2)的另一極與整流橋(BR1)的另一輸入端相連接并與電容(C1)的另一極形成電路輸入端(ACin)，整流橋(BR1)輸出端的正極并接穩壓管(DZ1)的負極，整流橋(BR1)輸出端的負極并接穩壓管(DZ1)的正極，電解電容(C3)的正極并接穩壓管(DZ1)的負極形成電路輸出端的正極，電解電容(C3)的負極并接穩壓管(DZ1)的正極形成電路輸出端的負極；交流市電從電路輸入端(ACin)的兩端輸入，經過電容(C1)、(C2)分壓，獲得合適的低交流電壓；通過整流橋(BR1)全橋整流，實現了交\直流電的轉換；再由電解電容(C3)進行濾波；電解電容(C3)的正負極就是未經穩壓的直流電輸出端(Vo)的正負極。
2、 根據權利要求1所述的超微功耗待機電源，其特征在于它還包括一穩壓管(DZ1)，穩壓管(DZ1)是用來吸收交流市 電經(Cl)、 (C2)分壓再經整流濾波后可能出現的脈沖電 壓或本電源電路在極端情況下所可能出現的瞬態電壓。
3、 根據權利要求1所述的超微功耗待機電源，其特征在于所述未經穩壓的直流電輸出端(Vo)可以進一步穩壓輸出， 接入穩壓IC ( IC1)形成穩壓電源。
全文摘要
本發明的目的在于提供一種具有功率因數補償功能的超微功耗待機電源。為實現上述目的，本發明的技術解決方案是交流市電先用電容分壓得到一個較為合適的低壓交流電，再經過整流濾波、線性穩壓或開關電源穩壓以獲得穩定的直流電壓，提供給電器的待機電路作為待機電源。由于本發明采用電容分壓，在電網中呈容性，可以起到功率因數補償的作用。本發明解決了目前各類電器設備待機電源待機功耗偏大的問題，適用于待機電路不需要和交流電源隔離的電器作為待機電源，如空調機、電冰箱、有遙控功能的電風扇、電磁爐、復印機、傳真機、打印機、熱底盤的電視機及計算機顯示器等等。本發明在很多領域完全可以取代現有家電的待機電源從而提高電源的利用率，并能提升交流電網的功率因數、改善交流電網的諧波電流，對減少能源的消耗、緩解日趨緊張的能源壓力和環保壓力都有積極的作用。
文檔編號H02M7/06GK101436080SQ20071000977
公開日2009年5月20日 申請日期2007年11月12日 優先權日2007年11月12日
發明者張亦翔, 張幼彬, 張飛然 申請人:張飛然