一种低压待机电源的设计与研究

耿 程 郭 璇（河北省胸科医院智能监控室）

一种低压待机电源的设计与研究

耿 程 郭 璇
（河北省胸科医院智能监控室）

摘 要：待机能耗是用电设备不可避免的损耗，为降低家用电器的待机损耗，本文提出一种用在隔离型待机电源上的低损耗电路，具有功率因数补偿功能。该电路是根据电容分压原理，先将市电由两个电容分压降为低压交流电，经过整流滤波获得直流电压，经过隔离稳压、保护电路后给待机电路供电。根据这个原理设计了一个实际应用待机电路，该待机电路损耗低于1W，低于传统的待机电路，满足“1W计划”的要求。通过本电路不仅可以解决家用电器等设备待机损耗过大，同时由于该电路具有显容性还有一定的无功补偿功能。对减少能源消耗、缓解日趋紧张的能源压力和环保压力等有较高的参考价值。

关键词：电容分压；待机电源；低损耗；无功补偿

0　引言

待机能耗是指产品在关机或不行使其原始功能时的能源消耗，待机能耗在整个电器能量消费中占有较高的比例。研究显示，在经济合作与发展组织成员国中，家用电器待机损耗占到家庭用电总量的3%～13%，约占整个国家用电量的1.5%；而家居生活和商业活动中的待机损耗总和可达到国家用电量的2.2%，由此相应产生的二氧化碳占二氧化碳排放总量的1%。待机用电量不仅造成了经济上的浪费，也对环境形成影响[1]。因此，国际能源署和我国中标认证中心都有降低电器待机损耗、将待机损耗降到1W以下的要求，分别于2000年和2002年制定了“1W计划”，同时将“待机能耗为1W”升级为行业标准。

将市电直接降压整流获得低压直流电源是待机电源最常用的取电方式，目前实现从交流市电到低压直流作为待机电源的方法主要有三种，即变压器降压型、开关电源型和电容限流降压型[2,3]。最常用的获得直流稳压电源方法是变压器降压型和开关电源型。但就待机低功耗要求来说，这两种方法都无法满足“1W计划”的要求。变压器降压型直流电源需要使用工频变压器降压，而工频变压器存在铁损与铜损，本身会发热，降低了变压器的效率，这是不可避免的，而降低铜损和铁损的方法是优化变压器的设计，这对设计提高了要求，并且提升空间有限。因此即使变压器空载时损耗也会达到好几瓦，明显不能达到低损耗要求。开关电源型电源是将市电直接整流滤波获得较高电压的直流，然后通过DC−DC变换获得低压直流电，通过改变脉冲占空比调节输出功率，虽然省去了变压器空载损耗，但是它的缺点在于当负载很小或者空载时，开关脉冲的占空比也很小，此时仍需从高电压直流处取电，因此即使很小的静态电流以及开关器件的损耗都会造成不小的待机损耗。第三种方法是电容限流降压法，即利用电容的漏电流从市电获得直流电源的方法，它采用电容限流降压，经整流滤波后再由稳压电路稳压获得直流电源，其最大的缺点在于当负载较小时，其大部分功率消耗在稳压管或者其他并联稳压电路上，待机损耗很大，效率很低，而且因为稳压电路消耗功率较大，这限制了电源的输出功率，所以基于电容限流分压的稳压电源的功率做不大；另外一个缺点是整流滤波后，直流电压实际上全由稳压管承受，一旦稳压管失效，直流电压将直接加到负载上，有可能立即将负载电路烧坏，这种电容限流降压型电源既无法满足高效率的要求，也不适合用来做待机电源[4,5]。

由此可见，上述三种类型的电源电路都无法满足低损耗的要求，不适合作为待机电源。目前大多数使用的电源都存在轻载或者待机状态下效率急剧下降的问题，但轻载或者待机状态又是电器很常见的工作状态[6-9]。因此本文提出了一种电容分压型低功耗待机电源，其空载能耗可以低于1W，优于常见的待机电源，并且在实现降低待机损耗功能的同时还能无功补偿。

1　待机电源原理分析

本设计从降低待机损耗出发，原理如图1所示，其核心部分是电容分压整流，它由分压电容C1和C2、整流电路、保护电路（压敏电阻VDR1）、稳压滤波电路（二极管DW1）和电解电容C3组成。

图1　待机电源原理图

220V市电ACin经过分压电容C1和C2分压，获得低压交流电，根据电容分压原理，其有效值为式中，ACin为交流输入市电有效值，ACin经全桥整流滤波后，得到未经稳压和隔离的直流电压V0，不考虑整流二极管的压降，则空载时直流电压为

通过分析可知，短路时，最大短路电流为式中，ω为交流市电角频率。电路带负载时，由最大传输原理，输出功率逐渐增大时，其最大功率输出发生在0.5V0时，此时电流

当输出电压V0较高时，由于电容C1两端的电压微降，会产生系数K。如果想要把电容分压电路应用到稳压电源作为待机电源，只需要将输出电压控制在

0.5V0和V0之间[10-12]。图中的稳压管DW1和压敏电阻VDR1都是用来保护电路。在实际应用中DW1的取值比V0最大值略高一些，用来吸收电路分压后可能出现的脉冲电压，或者电源电路在极端情况下（例如刚断电又通电情况下）所产生的瞬态电压，以保护IC不会超过极限电压而损坏[13,14]。在正常工作时，由于取值比V0的最大值略高，所以DW1上没有电流流过，即DW1并不耗电。

2　电路设计与仿真验证

2.1 应用电路设计

在图1的基础上，设计了一个实例应用电路，按照常规的待机电路，一般是通过驱动继电器将家用电器与交流市电接通，从而使其由待机状态进入正常工作状态。在本设计中采用电容分压整流滤波，在隔离型开关电源电路之前为继电器供电，为了保证继电器能可靠吸合，在继电器吸合之前，该电压应略高于继电器的额定电压。此外，一旦继电器吸合，会引起整流电路的输出电压略有下降，这将使继电器的工作电流随之减少，这也刚好满足继电器吸合后维持电流要比吸合电流小的情形。最重要的一点在于继电器吸合后，维持电压电流同时降低，这就大大降低了维持继电器吸合所消耗的功率。待机状态节能，进入正常工作后时也节能，这正是本设计最大的优点。

在分析上述低功耗待机电源工作原理的基础上，设计了一个驱动继电器以接通电器的交流电源的实用待机电路。这个待机电路工作待机电压为5V，最大工作电流为20mA的，继电器选用24V，驱动电流约为30mA。因此在设计电路时，电容分压取电电路的最大工作电流I0取（30+20）mA，即整流输出50mA，空载输出电压选为30V（略高于继电器额定电压）即可满足要求继电器和待机电路电流要求，电路如图2所示。

图2　一个实用待机电路

根据式（3）得到C1=1.45μF，取C1=1.5μF。根据式（2）得到C2=15μF，二极管D1和电容C4构成典型的RCD缓冲吸收电路，负责吸收开关管Q1关断时线圈上的感应过电压，从而保护开关管防止因为过压而导致击穿。通过控制Q1的开断来控制一次绕组L1与电源间的通断，这也是最常见的开关电源工作原理，当一次绕组的电流不停地通断时，根据电磁感应原理就会在开关变压器T1中形成变化的磁场，从而在二次绕组中感应出电压；R1为开关管导通的启动电阻，启动电阻的电压为开关管提供基极电流；L2是取样绕组，感应出的电压经整流二极管整流、C6电容滤波后形成取样电压，通过合理设计电路，使这个取样电压为负值，取样电压经过稳压二极管DW2稳压后，加至开关管Q1的基极，当二次输出电压越高时，取样电压的绝对值越大即负的越多，当这个负电压的绝对值大到一定程度后，稳压二极管会被击穿，拉低开关管的基极电位，这将推迟开关管的导通甚至关断开关管，实现控制了能量输入变压器的目的，同时控制了变压器输出电压的升高，实现了稳压输出的功能；电阻R5和电容C5串联构成正反馈支路，通过从取样绕组中取出感应电压，加到开关管基极上，以维持振荡。二次绕组L3中的感应电压经过二极管D3整流以及C7、C8电容滤波后输出5V的电压，就构成设计的待机电源。

此待机电路输出直流电压DCout最大工作电流为20mA，输出电压为5V，当继电器吸合时电流最大为50mA，待机损耗不到1W，已经满足要求“1W计划”的要求。这个电路有三个明显的优点：

1）电路在空载时没有任何消耗功率的元件，空载零损耗；

2）电路能够自动限流，一旦发生短路，功耗急剧下降；

3）电路显容性，具有功率因数补偿的作用。

2.2 电路仿真与分析

为了检验电路的稳定性和可靠性，在电源电压的一个周期内的不同时刻对待机电路进行投入使用，投入时间分别为0s、0.005s、0.01s、0.015s、0.02s。仿真结果如图3所示。

通过仿真可以发现，在不同的时间投入待机电路均不会引起过电压。同时，对待机电路掉电再上电过程进行了仿真，负载为感性负载，断电时间为0.1s，即掉电时间分别为1s、1.005s、1.01s、1.015s、1.02s,间隔0.1s上电，即上电时间为1.1s、1.105s、1.11s、1.115s、1.12s，其结果如图4所示。

图3　电源电压不同相位投入待机电路暂态特性

图4　待机电路掉电上电暂态仿真

通过仿真发现，待机电路掉电再上电过程会有暂态电压出现，暂态电压的大小与上电相位有关。为了抑制这个暂态电压，在整流桥前加了压敏电阻VDR1，在整流桥后加了稳压二极管DW1，从而抑制过电压带来的损坏。

3　结束语

综上所述，通过电容分压获取的待机电源与传统的待机电源相比，待机功耗小于1W，因此本设计完全满足“1W计划”的要求。利用压敏电阻和稳压管吸收暂态过电压可以有效保护电路，因此本文提出的低功耗待机电源可以取代传统的直流稳压电源有变压器降压型待机电源和开关电源型直流待机电源，既保证了待机低功耗，又可以提高交流电网的功率因数及电源的利用率，明显改善了交流电网的谐波电流。同时对减少能源消耗、缓解环保压力方面有积极的推动作用。

参考文献

[1] 张友军. 降低开关电源待机损耗的技术研究. 电测与仪表[J]. 2005, 42(477): 25-28.

收稿日期：（2015-05-04）