智能坐便器超低待机功耗漏电保护插头电路设计*

甘建艺

(厦门优胜卫厨科技有限公司 福建 厦门 361000)

前言

在能源愈发紧张、全球温室效应导致一系列自然灾害以及环保节能的意识越来越强的情况下，电器待机低功耗也成为了大家重视的话题。待机能耗是日用家电产品在待机功能状态下的电能消耗。中国节能认证中心在调查后发现我国城市家庭的平均待机能耗相当于这些家庭每天都在使用一盏15～30 W的长明灯，待机能耗就像吸血虫一样吸食着电费和能源，同时也制造着巨大的环保压力[2]。据统计，电流在待机电器中消耗的电力累计平均每年每个家庭要浪费100度电。欧洲ERP指令(按IEC62301)，更是对待机能耗提出了标准要求，不超过0.5 W。我国节能认证中心也着重强调了待机能耗问题，逐渐的提升标准要求并出台相关待机测试标准GB/T 35758。随着智能坐便器的普及，智能坐便器的待机功耗也将使家庭的待机能耗增加。但是目前，中国建筑材料协会标准T/CBMF 15-2019、T/CBCSA 15-2019中关于智能坐便器待机功耗要求为不大于2.0 W[3]。智能坐便器的待机功耗标准远高于其他普通家用电器，两者最大的区别就是在于，智能坐便器中增加了漏电保护插头。而智能坐便器与漏电保护插头是两个不同厂家，待机功耗是典型的(1.0 W+1.0 W)，漏电保护插头本身的待机功耗已经在1.0 W。笔者重在研究设计新的漏电保护插头电路，使漏电保护插头能有超低待机功耗，助力智能坐便器的整机待机功耗能达到国家、欧美等对电器的待机能耗要求，对未来提升我国智能坐便器能效标准、倡导绿色环保、促进消费升级都有着非常重要的意义。

1 漏电保护插头电路原理

随着智能坐便器的普及，漏电保护插头将被广泛应用。漏电保护器，主要是用来在电器发生漏电故障时，以及对有致命危险的人身触电保护。智能坐便器通水通市电，并且在卫生间的潮湿甚至有水淋的环境下使用，决定了必然需要增加漏电保护插头，以保证人身安全。

漏电保护插头，用于检测火线和零线上的漏电信号，当有人触电或智能坐便器漏电时，l漏电保护插头通过检测和处理剩余电流可靠地动作，切断电源[4]。电路原理图以市面上漏电保护插头工作芯片方案使用用量最大的复旦微VG54123芯片为例：

如图1，当有漏电信号产生时，零电流互感器(ZCT)检测到电信号，其次级线圈输出电流，作为漏电保护器芯片的输入。当漏电流的RMS值大于漏电保护器规定的额定电流时，VG54123芯片两个引脚Vr、In之间比较，VG54123芯片输出OS引脚产生动作电平，该电平脉宽持续30ms左右。可控硅SCR导通，脱扣机构COIL脱扣，开关SW1弹开，L/N断开，漏电保护插头切断市电电源。

图1 传统漏电保护插头电路原理图

2 漏电保护插头待机功耗计算

功耗的计算公式为：W=Pt

在待机的情况下，也就是时间是相同的，持续的。所以我们只需要计算漏电保护插头电路的平均功率(按市电AC220V)。

电功率计算公式：P =UI，根据欧姆定律U=IR代入P=UI中还可以得到：P=I×IR=(U×U)/R

由图一可知，当未发生漏电、触电，即漏电保护芯片VG54123处于待机状态。此时整个漏电保护的主要功耗可以分为四部分：

P1：AC整流成电压311 V降压到12 V(VG54123芯片工作电压)，299 V电压在限流电阻R1、R2、R3上的功耗

P2：VG54123芯片待机功耗

P3：漏电保护插头指示LED灯功耗

P4：LED上限流电阻R8、R9、R10上的功耗

根据上面的公式，可以计算得出：

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

P2为漏保芯片VG54123待机功耗，查规格书，如下表1，可得P=UI=12 V×580 μA=0.007 W

表1 漏保芯片VG54123待机耗电电流

P3为红色LED灯功耗，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

总功率为：P=P1+P2+P3+P4=0.859 W+0.007 W+0.001 W+0.135 W=1.0 W

所以，总功耗在1.0 W，而再加上L/N线上的损耗，市面上智能坐便器的整机功耗只会大于1.0 W。这也就是中国建筑建材协会标准把智能坐便器待机能耗定为，不大于2.0 W。但这个值远大于家电待机标准。

3 超低待机漏电保护插头功耗计算

通过上面对漏电保护插头功耗的分析，我们可以发现，其实最大的待机功耗是P1(0.859 W)、P4(0.135 W)，都是在限流电阻上的损耗。而限流电阻其实不是漏电保护拓扑的必要元件，是因为高电压转低电压，需要电阻分压限流。如果该电路能有一个低电压的供电，那么就可以减少这些不必要的损耗。

那么，我们就设计一个电路满足漏电保护芯片及LED灯供电电压，即高压转低压的电路。原理图如下：

同上可知，计算功耗，我们只需要计算图2电路的平均功率(按市电AC220V)。

图2 超低功耗漏电保护插头电路原理图

P1：为IC2降压芯片BP2522B的待机功耗，查芯片BP2522B的规格书，可知待机功耗为0.02 W

P2：为降压芯片BP2522B的输出效率反算值(输出给P3/P4/P5功耗的效率)，按照降压芯片BP2522B的最低转换效率50%计算，

P3：同上可知，漏电IC1保护芯片VG54123待机功耗0.007 W

P4：同上可知，漏电保护插头指示LED1灯功耗0.001 W

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

按照50%效率计算P2=(P3+P4+P4)/0.5=(0.007 W+0.001 W+0.006 W)/0.5=0.03 W

超低待机漏保插头的总功耗为：

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

新设计的漏电保护插头的功耗为0.05 W，功耗只有市面上漏电保护插头功耗的1/10。超低的漏电保护插头的功耗，加上智能坐便器的待机功耗，总功耗做到了不超过0.5 W的普通家电待机能耗标准要求。

4 两种漏电保护插头待机能耗测试

两种漏电保护插头，按GB/T 35758中待机模式要求进行试验，在不同输入电压下测试的待机能耗如表2所示。

表2 不同输入电压下两种漏电保护插头的待机功耗

样品测试结果与理论值非常接近，图2的漏电保护插头原理，待机功耗完全可以做到零功耗。

以下图3，图4分别为两种漏电保护插头PCBA。

图3 传统漏电保护插头

图4 超低待机功耗漏电保护插头

5 总结

智能坐便器将会像彩电，冰箱等家电普及到千家万户。而带有漏电保护插头的智能坐便器待机功耗，也将是卫浴行业所要面临的一个新挑战。笔者通过对现有智能坐便器待机功耗的分析研究，对漏电保护插头待机功耗的分析研究，突破制约智能坐便器待机功耗的问题，重新设计新的漏电保护电路，助力开发出符合当前国内外家电待机功耗标准的带漏电保护插头的智能坐便器, 为推动智能坐便器家电化，减少能源浪费和可持续发展提供保障。