專利名稱：電容分壓隔離型低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 能的電容分壓隔離型低功耗待機電源。
背景技術：
全球能源面臨危機，國際能源署于2000年提出了用IO年時間將全球所有 電器的待機能耗降到1瓦的"1瓦計劃"。為此歐盟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；而我國中標認證中心也已自2002年開始制定中國的"1瓦計劃"， 并提出將"待機能耗為1瓦，，升級為行業標準。
目前，我國的彩電保有量大約為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。如果將其待 機能耗降至l瓦，每年約可減少35億度電能的消耗，其經濟效益和社會效益十 分巨大。
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、開關電源型直流穩壓電源和電容限流降壓直流穩壓電源等，但從低 耗能要求來說，這三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 一種新型的具有功率因數補償功能的電容分壓隔 離型低功耗待機電源，使其空載能耗可以遠遠低于常見的待機電源。本發明不 但可以輕易地使各類電器的待機能耗降低至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，是真正的綠色節能型電源。
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電容分壓隔離型低功 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、低電壓開關電源隔離 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。電容器是 最常用的功率因數補償器件，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。
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4艮低，又必須從交 流電源直接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， 是采用電容限流降壓，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，所以這種電容限流降壓的 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低功耗待機電源。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，推出一種全新的電容分壓隔離型低 功耗待機電源，在實現節能的同時還進行功率因數補償。
圖1是本發明具有功率因數補償功能的電容分壓隔離型低功耗待機電源之 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C1C2分 壓，所得交流電壓有效值為AC1= [Cl/ (Cl+C2) ] xACin (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) ] xACin (/>式二)。短路時其最大短路電流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1/2 xVo時，此 時電流Io = Kxl/2xlmax (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數，K=(1.414ACin-1/2x 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K=l。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，DZl的取值比Vo的最大值略高，是用來吸收交流市電經C1、 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:f又值比Vo的最大值略高，DZ1上沒有電流流過，所以DZ1 并不庫毛電。
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3各，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。
在圖1的基礎上，后面再加上低電壓隔離型開關電源就構成了本發明。圖2 是本發明電容分壓隔離型低功庫毛待機電源原理框圖示意圖。圖2的開關電源部 分和普通的開關電源電路是一樣的，但實際上圖2的開關電源是工作在圖1電 容分壓整流濾波的低電壓下，此時開關電源的控制芯片和開關管的開關損耗均 遠遠低于常見的采用高電源電壓的開關電源的損耗。
本發明具有功率因數#卜償功能的電容分壓隔離型低功耗待機電源的優點是 開關電源的控制芯片和開關管工作在低電壓下，其空載、輕載功耗都大大降低，其缺點是帶大負栽的能力較弱，但由于待機電路不是工作在大電流的狀態下， 正好給本發明提供了最好的用武之地。
圖3是本發明電容分壓隔離型低功耗待機電源實例電路一原理圖，采用普 通常用的開關電源控制芯片(如UC3842)，電路也相同，不一樣的地方是開關管 只要采用低耐壓的即可，高頻變壓器的參數也要改變。
圖4是本發明電容分壓隔離型低功耗待機電源實例電路二原理圖，采用低 成本的自激式隔離型開關電源電路，電路簡單，靜態電流小，由于工作在低電 壓下，其空載功耗更低，很適合用于待機電源。
圖5是本發明電容分壓隔離型低功耗待機電源實例電路二的一個完整的實 際應用電路原理圖，是在圖4的基礎上后面再加一級由微功耗低壓差穩壓IC (如HT7105),進一步穩壓輸出，以提高電源的輸出電壓特性，提供更穩定的 電壓以驅動待機電路。在此實際應用電路中，控制電器整機電源的繼電器(圖5 中的Jl)的電源取自隔離型開關電源電路之前，通過光電耦合隔離，從而降低 了對圖4低電壓開關電源電路的功率要求，減少了開關電源的損耗。
需要進一步說明的是，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 可取自隔離型開關電源電鴻之前如圖5中所示。若選取繼電器吸合之前該電壓 略高于繼電器的額定工作電壓，保證繼電器能可靠吸合，而由于繼電器吸合之 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，電 壓電流同時有所降低，就大大降低了電器進入工作狀態時繼電器吸合所消耗的 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。
同時，由于本發明在交流電網中呈容性，不但在待機狀態下而且在電器工 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 節能型的低功耗待機電源。
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，本發明完全可以取代現有電器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
綠色節能型待機電源！
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的說明。
圖1本發明電容分壓隔離型低功耗待機電源中電容分壓整流濾波電路原理
圖2本發明電容分壓隔離型低功耗待機電源原理框圖示意圖； 圖3本發明電容分壓隔離型低功耗待機電源實例電路一原理圖； 圖4本發明電容分壓隔離型低功耗待機電源實例電路二原理圖； 圖5本發明電容分壓隔離型低功耗待機電源實例電路二的一個完整的實際 應用電路原理圖。
具體實施例方式
1、圖l是本發明電容分壓隔離型低功耗待機電源中電容分壓整流濾波電路 原理圖。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-220伏， 交流電源頻率50Hz， i殳計一個空載輸出電壓Vo-30V,最大工作電流Io為50mA 的直流電源，才艮據7>式三和/>式四，lmax=0. 1A, Cl=Imax/ACinco =0. 1/(220 x 6.28 x 50) 1.45xE-6(F) = 1. 45UF,可采用1. 5微法630伏的電容；根據公 式二，可得C2= ( CI x ACin/0. 707Vo ) -Cl= ( 1. 5 x 220/0. 707 x 30 ) -1. 5 - 14UF, 可采用15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，其耳又值可比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39V/2W或瞬態電壓抑制二極管P6KE39A ( 39V/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是本發明電容分壓隔離型低功耗待機電源原理框圖示意圖，由電容 分壓整流濾波電路、低電壓隔離型開關電源1、待機電路2組成，圖2的左半部 分就是圖1電容分壓整流濾波電路，右半部分的低電壓隔離型開關電源1的電 路和典型的開關電源相同，只是此開關電源是工作在圖1電容分壓整流濾波的 低工作電壓下，右半部分的待機電路2即是電器的待機電路。
3、 圖3是本發明電容分壓隔離型低功耗待機電源實例電路一原理圖，采用 普通常用的開關電源控制芯片(如UC3842)和光電耦合作為占空比隔離控制，與 典型的開關電源電路完全相同，不一樣的地方是開關管采用低耐壓的即可，高 頻變壓器的參數也要改變。
4、 圖4是本發明電容分壓隔離型低功耗待機電源實例電路二電路原理圖， 采用低成本的自激式隔離型開關電源電路，電路簡單，靜態電流小，由于工作 在低電壓下，其空載功耗更低，很適合用于待機電源。下面以該電路為例說明 本發明各個參數的設計方法。
設計要求待機電路工作電壓5士0. 25伏，最大工作電流20毫安，要求驅 動一個繼電器以接通電器的交流電源，繼電器選用24V，其驅動電流約為30mA, 由于5伏20毫安輸出的開關電源反映到輸入端的電流要小于20 mA,本實例電 路的電容分壓整流濾波電路的最大工作電流Io取Io=30mA+20mA=50mA即可滿足 繼電器和待機電路所需要的電流要求，電容分壓整流濾波電路的空載輸出電壓 Vo取30V。根據圖1的計算結果，CI采用1. 5微法630伏的電容，C2采用15 微法50伏的無極性電解電容，電解電容C3選用470微法50伏，穩壓管DZ1選 用39V/2W或瞬態電壓抑制二極管P6KE39A ( 39V/5W、瞬態峰值功率600W/lms )。 電路其它元件的參數如圖4所示，Ql選用100伏1W的NPN三極管，其中*111的 阻值應根據所選用的Ql的放大倍數略加調整，電阻R0是當交流電源斷開時給 Cl ;改電的，可選為2. 2MQ。
圖4電路工作原理D1R3C4為高壓吸收電路，當開關管Ql關斷時，負責吸
8收線圏上的感應電壓，從而防止高壓加到開關管上而導致擊穿；Ql為開關管， 用來控制原邊繞組L1與電源之間的通、斷，當原邊繞組不停的通斷時，就會在 開關變壓器T1中形成變化的^f茲場，從而在次級繞組中產生感應電壓；Rl為啟動 電阻，給開關管提供啟動用的基極電流；變壓器左下方的繞組(取樣繞組)L2的 感應電壓經整流二極管D2整流，C6電容濾波后形成取樣電壓，這取樣電壓是負 的，取樣電壓經過穩壓二極管DW2后，加至開關管Q1的基極，當輸出電壓越高 時，取樣電壓就越負，當負到一定程度后，穩壓二極管被擊穿，從而將開關管 Ql的基極電位拉低，這將導致開關管斷開或者推遲開關的導通，從而控制了能 量輸入到變壓器中，也就控制了輸出電壓的升高，實現了穩壓輸出的功能；而電 阻R5跟串聯的電容C5，則是正反饋支路，從取樣繞組中取出感應電壓，加到開 關管的基極上，以維持振蕩。右邊的次級繞組L3中產生的感應電壓經二極管D3 整流，C7C8電容濾波后輸出5V的電壓。
此電路輸出電壓DCout在最大工作電流20毫安以內變化時，輸出電壓為5 ±0. 25伏，已能滿足設計要求，若輸出電壓要求更為嚴格可參照圖5電路的方 法。
5、圖5是本發明電容分壓隔離型低功耗待機電源實例電路二的一個完整的 實際應用電路原理圖，待機電路的電源采用低功耗低壓差穩壓IC (HT7105)二次 穩壓后提供，電壓精度比圖4電路更高。待機電路工作電壓5 ±0.05伏，最大 工作電流20毫安，控制電器的交流電源開關的繼電器選用24V，其驅動電流約 為30mA,驅動繼電器的電源取自低電壓隔離型開關電源之前如圖5中的Jl所示。
此待機電源本身的空載功耗實測小于40mW(空載功耗由開關管Ql的靜態功 耗和開關損耗形成)；當待機電路的待機電流為7毫安時，此待機電源的待機功 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；當待機電路的待機電流為20毫安時，此待機電源的待機 功耗約為0.25瓦；繼電器Jl的電源取自低電壓隔離型開關電源之前即圖5中 的Vo處，繼電器吸合之前該電壓略高于繼電器的額定工作電壓約為30V,保證 繼電器能可靠吸合，而繼電器吸合之后將引起電容分壓整流濾波電路的輸出電 壓降低至約20V，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，電壓電流同時有所降低，就大大降低了電器進 入工作狀態時繼電器吸合所消耗的功率，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
6匕 S匕。
此待機電源在交流電壓± 20%的波動范圍內、繼電器吸合并且待機電路工作 電流20毫安時，測得低壓差穩壓IC HT7105輸入電壓為7 ± 0. 25伏，穩壓后輸 出電壓為5 ± 0. 05伏，符合設計要求。
本待機電源本身只消耗很少的功率，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低功耗待機電源。
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權利要求
1、電容分壓隔離型低功耗待機電源，它包括電容C1、C2、整流橋BR1、穩壓管DZ1、電解電容C3、低電壓隔離型開關電源(1)和待機電路(2)組成，其特征在于交流市電由C1、C2分壓，BR1全橋整流，C3濾波，DZ1吸收瞬態電壓，經低電壓隔離型開關電源(1)穩壓，形成隔離型穩壓電源提供給待機電路(2)。
2、 根據權利要求1所述的電容分壓隔離型低功耗待機電源，其特征在于 所述的電容C1的一極接交流電源的一極，C1的另一極接C2的一極和BR1 的一個交流輸入端，C2的另一極接BR1的另一交流輸入端并接入交流電 源的另一極，BR1的正端輸出接DZ1的負極和C3的正極，BR1的負端輸 出接DZ1的正極和C3的負極，得到未經穩壓且沒和電網隔離的低電壓直 流電源。
3、 根據權利要求1所述的電容分壓隔離型低功耗待機電源，其特征在于 所述的未經穩壓且沒和電網隔離的低電壓直流電源經低電壓隔離型開關 電源(1)穩壓得到隔離型穩壓電源。
4 、 根據權利要求1所述的電容分壓隔離型低功耗待機電源，其特征在于 所述的低電壓隔離型開關電源(1)的控制芯片和開關管工作在未經穩壓 且沒和電網隔離的低電壓直流電源電壓下。
5、 根據權利要求1所述的電容分壓隔離型低功耗待機電源，驅動一個繼電 器以接通交流電源，其特征在于所述的繼電器的驅動電源取自未經穩 壓且沒和電網隔離的低電壓直流電源。
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電容分壓隔離型低功耗待機電源。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、低電壓開關電源隔離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。電容器是最常用的功率因數補償器件，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。
文檔編號H02M7/12GK101465608SQ20071014404
公開日2009年6月24日 申請日期2007年12月19日 優先權日2007年12月19日
發明者張亦翔, 張幼彬, 張飛然 申請人:張飛然