專利名稱：具有微功耗待機功能的容開電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將交流市電變換為低壓直流電的電源裝置，尤其是一種可以滿足電子設備待機要求并且電源本身耗電極低的電源裝置。
背景技術(shù)：
目前大多數(shù)的電子設備為了延長使用壽命和節(jié)約能源，都設置了待機模式，即在設備暫時不工作時，讓設備進入休眠狀態(tài)，在待機模式下，設備的耗電做到最低，為了保證能用控制信號隨時開機，電源必須處于工作狀態(tài)，保持設備工作在待機狀態(tài)，以便設備可以隨時收到開機信號。電子設備待機時主電路的耗電可以做到極低了(現(xiàn)在很容易做到毫瓦級)，這樣設備待機時能耗的主要矛盾轉(zhuǎn)到了電源上。由于開關(guān)電源的高效率，它正在取代變壓器廣泛的使用在電子設備的電源電路中，在大電流輸出時開關(guān)電源的輸出效率可以很容易的做到90％以上，但當輸出功率很低小時如小于1W時，開關(guān)電源的效率就變得很低，很難做到超過50％。由于現(xiàn)在許多電子設備如監(jiān)視器、電視機、機頂盒、打印機、掃描儀、傳真機等大部分的時間都是工作在待機狀態(tài)，所以，電源在待機時的輸出效率就變得尤為重要了。另外，以往的用電器待機狀態(tài)時，電源部分還在工作，長時間的待機是影響用電器壽命和引起火災的不安全因素。為此，IEA提出了很苛刻的電源待機標準，實際是為電源的設計提出了挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有的電子設備在待機時電源消耗功率較大的問題，本發(fā)明提供一種微功耗(接近零功耗)待機的電源，這種電源在設備處于待機狀態(tài)時，主電路不消耗任何電能，而電源的耗電也降到了幾乎可以忽略不計的水平(最低可做到微瓦級的耗電)，并且設備處于等待啟動信號隨時可以重新開機的狀態(tài)。這種微功耗待機電源對延長設備的使用壽命也是非常有利的。本發(fā)明主要解決的問題就是在保持原有設備的各種待機功能(即不改變?nèi)藗儗υO備原有的各種使用和操作習慣)的前提下，提供一種低成本、低耗電的電源系統(tǒng)。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種全新的電源和實現(xiàn)待機功能的設計思想，其技術(shù)方案如下本發(fā)明的微功耗待機電源是由市電隔離電源、電容降壓整流濾波待機電源和待機控制電路組成。設備正常工作時，市電隔離電源提供設備主電路工作所需的電流；設備進入待機狀態(tài)時，待機控制電路控制市電隔離電源停止工作，設備的待機任務完全由待機控制電路完成；待機控制電路工作在與市電不隔離的區(qū)域，其工作電流由電容降壓整流濾波電路提供。本發(fā)明的微功耗待機電源是一種包含了待機電路并具有處理待機啟動信號功能的電容降壓電源和開關(guān)電源混合的電源系統(tǒng)，因此稱之為“具有微功耗待機功能的容開電源”。在以往的電器設備中，待機功能是由主電路執(zhí)行和完成的，而本發(fā)明的具有微功耗待機功能的容開電源是由電源中的待機電路執(zhí)行和完成待機功能的。
本發(fā)明的具有微功耗待機功能的容開電源進入待機狀態(tài)時使市電隔離電源停止工作的方法有多種選擇常用的有控制開關(guān)管使之停工作；控制可控硅全波橋式整流電路使之停止工作；控制市電輸入端的繼電器或雙向可控硅。
本發(fā)明的具有微功耗待機功能的容開電源的待機電路在待機功能啟動前和恢復到正常工作狀態(tài)后，待機電路可以和主機交換數(shù)據(jù)。
為了安全方便的控制待機控制電路的工作狀態(tài)，本發(fā)明提供一種雙互感線圈的可控振蕩電路，使用這種電路，用普通的低壓按鍵開關(guān)即可實現(xiàn)對設備的關(guān)機(待機)或啟動的操作。
本發(fā)明的具有微功耗待機功能的容開電源具有如下優(yōu)點裝有本發(fā)明的具有微功耗待機功能的容開電源的電子設備，可以完成各種待機功能，并且在待機狀態(tài)電能的消耗最低可達到微瓦的數(shù)量級，這個待機能耗大大小于國際能源組織(IEA)提出的待機參考標準。使用本發(fā)明的具有微功耗待機功能的容開電源的電子設備還可延長設備的使用壽命。


圖1、具有微功耗待機功能的容開電源方框示意圖；圖2、具有微功耗待機功能的容開電源的開關(guān)管控制市電隔離電源實施例示意圖；圖3、具有微功耗待機功能的容開電源的可控硅橋式整流器控制市電隔離電源實施例示意圖；圖4、具有微功耗待機功能的容開電源的繼電器開關(guān)控制市電隔離電源實施例示意圖；圖5、具有微功耗待機功能的容開電源的雙向可控硅控制市電隔離電源實施例示意圖；圖6、啟動待機控制電路的雙互感器振蕩電路。
圖中[1]市電隔離電源；[2]電容降壓整流電路；[3]待機控制電路；[4]開關(guān)電源原理圖；[5]電容降壓整流濾波電路；[6]待機信號控制電路；[7]雙穩(wěn)態(tài)電路；[8]交流同步信號輸入；[9]可控硅觸發(fā)輸出；[10]具有微功耗待機功能的容開電源控制芯片；[11]繼電器控制輸出；[12]繼電器；[13]雙向可控硅觸發(fā)輸出；具體實施例說明作為隔離電源，開關(guān)的電源的輸出效率大大高于工頻變壓器電源。為了提高待機時開關(guān)電源在小功率輸出時的效率，目前常觸發(fā)用的方法有1、脈沖遮蔽，讓開關(guān)電源間歇工作；2、打嗝模式，讓開關(guān)電源工作在脈沖輸出狀態(tài)；3、在待機工作供電時用另外一套小功率的開關(guān)電源供電。這樣做的結(jié)果是可以將開關(guān)電源在幾乎沒有電流輸出的情況下將開關(guān)電源本身的功耗降到1W以下，或是降到IEA的建議0.3W以下。我們知道，開關(guān)電源的損耗主要由三部分組成1、開關(guān)管在導通和截止過程中的損耗；2、高頻變壓器損耗；3、控制電路消耗功率。這三個損耗在每個開關(guān)周期過程中是固定的，額定輸出功率越大的開關(guān)電源其固定損耗就越大，但輸出功率越大，固定功耗的比例就越小，這也就是高壓，大功率開關(guān)電源的效率相對較高的原因。我們可以通過選用導通，截止特性好的開關(guān)管、高頻損耗小的變壓器和耗散功率小的控制電路來減小開關(guān)電源的固定損耗，以達到和實現(xiàn)IEA的待機標準，但這樣做的結(jié)果是增加電路的成本，于是又變成了節(jié)能產(chǎn)品是否能夠節(jié)約錢的問題，如果節(jié)能產(chǎn)品增加的成本過高，這樣的節(jié)能產(chǎn)品是很難推廣的。開關(guān)電源的特點是在輸出功率越大，效率就越高，而輸出功率越小，效率就越低，這是開關(guān)電源的原理造成的，所以如果用減小開關(guān)電源固定功耗的方法來實現(xiàn)降低大功率開關(guān)電源在小功率輸出時的待機功耗，這是從原理上就不容易實現(xiàn)的高成本提高待機輸出效率之路，即不是解決待機功耗的有效方法。
如圖1所示為本發(fā)明的具有微功耗待機功能的容開電源的方框原理圖，是由市電隔離電源[1](現(xiàn)在一般的電子設備都選用高效率的開關(guān)電源)、電容降壓整流濾波待機電源[2]和待機控制電路[3]組成。這是專門針對降低電子設備待機功耗而提出的電源設計方案，它不同于以往的電源方案，是電源設計的一種新的思路。
電子設備中，電源的作用是將交流市電變成低壓的直流電供電路中各個電路使用，降壓的方法是有三種變壓器(包括自耦變壓器)降壓、電容降壓和電阻降壓。工頻變壓器降壓具有隔離作用，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，過載能力強，但缺點是本身的功耗較大，體積大，很重；電阻降壓的優(yōu)點是電路簡單，不污染交流電源，但缺點是損耗大到一般很難接受的地步；電容降壓電路由于電容器本身的有功消耗極小，輸出效率極高，是任何降壓方式都能比擬的。但由于不具有隔離作用，且會產(chǎn)生負功率因數(shù)，所以，在以往的降壓電路中也不予考慮。
關(guān)于待機的工作方式，我們可以換一種思路，現(xiàn)代大規(guī)模CMOS集成電路的SLEEP(休眠)狀態(tài)的工作電流可以降到幾個μA，甚至做到一個μA以下，但這幾個μA電流如果通過隔離電源提供，雖然電路的待機功率僅幾個微瓦(μW)，但一般開關(guān)電源固定消耗的電能至少要1W以上，即使是設計極其優(yōu)良的開關(guān)電源，目前還沒有看到無輸出狀態(tài)功耗小于100mW的報導。如果把待機的任務交給工作在熱線(與市電未隔離區(qū))的芯片，而待機芯片的電源由電容降壓電路供給，由于芯片在待機時工作電流極小，使用幾百PF甚至幾十PF的高壓小容量降壓電容即可，如此小的電容量對市電電源的功率因數(shù)不會產(chǎn)生任何影響.這樣，電容降壓功耗低、電路簡單、成本低和體積小的優(yōu)點就完全顯示了出來。根據(jù)上述的思路就出現(xiàn)了一種新的電源設計方案電源由三部分組成，開關(guān)電源、電容降壓電源和待機控制電路，我們可以簡稱為“容開電源”。當電源輸出大電流大功率時，是由開關(guān)電源輸出能量；但主機進入待機狀態(tài)時，主機將發(fā)出指令給待機控制電路關(guān)閉開關(guān)電源，開關(guān)電源將不產(chǎn)生任何功耗，主機電路也不消耗任何電能，主機將待機待命的任務交給”容開電源”里的待機處理電路(芯片)，這時待機處理電路將工作在低功耗(SLEEP)狀態(tài)，隨時準備接收重新啟動恢復工作的信號，待機控制電路的工作電流由電容降壓電路提供，由于電容器幾乎不消耗有功功率，所以僅是待機電路消耗電能，可以輕易的做到耗電幾個μW；當啟動信號來到時，待機電路接收到啟動信號，并輸出信號啟動開關(guān)電源，使開關(guān)電源進入工作狀態(tài)，隨后主機電路通電也恢復正常工作。
本發(fā)明的具有微功耗待機功能的容開電源是充分的發(fā)揮了開關(guān)電源大功率輸出時效率高，電容降壓電路絕對損耗小的特點，而把待機電路轉(zhuǎn)移到非隔離電源區(qū)域，這里充分地結(jié)合了CMOS低功耗IC工作電流小和電容降壓電路提供微小電流功耗小及電容成本低、體積小的優(yōu)點，并且由于接入的電容量很小，對交流市電電源的功率因數(shù)幾乎沒有影響的優(yōu)點。幾種電路的優(yōu)點結(jié)合到了一起達到了最佳的組合。并且電容降壓整流濾波電路和待機控制電路僅使用阻容和低壓IC元件，所以其成本很低的，容易做到高可靠性、小體積和低成本。因此極易推廣使用。
圖2是本發(fā)明的具有微功耗待機功能的容開電源的一個實施例。要使市電隔離電源(開關(guān)電源)停止工作，最簡單的辦法就是切斷開關(guān)管的激勵信號。[4]是由雙極晶體管和變壓器反饋構(gòu)成的開關(guān)電源示意圖，當設備正常工作時，雙穩(wěn)電路[7]輸出高電平，光耦N2導通，T2截止，開關(guān)電源[4]正常工作。當光耦N1收到主機或外來的待機信號時，雙穩(wěn)態(tài)電路輸出低電平，光耦N2截止，T2截止導通，開關(guān)管T1將停止工作，開關(guān)電源沒有輸出；待機處理電路的電源由電容降壓全波橋式整流濾波電路[5]提供，電容降壓整流電路也可以采用半波整流電路，半波整流電路簡單，但輸出電流小，在待機電路要求待機電流很小時候(如微安級)選用一個上百PF的降壓電容即可滿足供電要求。如果待機電流要求比較大時，如紅外遙控接收電路的待機電流一般要幾百μA，可采用全波整流電路。當啟動信號到達時，雙穩(wěn)態(tài)電路輸出高電平，開關(guān)電源恢復工作。
圖3是市電隔離電源采用可控硅橋式整流器實施例的示意圖。可控硅橋式整流電路在控制電阻性負載和電感性負載的電路中已經(jīng)廣泛的使用。但是，如果在橋式整流電路后面接一個濾波電容，在開機瞬間濾波電容巨大的充電電流是小電流可控硅無法承受的，若采用大電流可控硅和過零觸發(fā)技術(shù)可以解決充電電流的沖擊，但成本和體積也無法接受。另一方面，在濾波電路中，可控硅的導通時間和濾波電容上的電壓有關(guān)，其觸發(fā)電路也比較復雜，所以在直流濾波整流電路中極少見用可控硅橋式整流電路。在本發(fā)明的具有微功耗待機功能的容開電源中，當市電隔離電源工作時，橋式整流電路中的可控硅相當于一個二級管，實際上只是在交流電的峰值附近導通(即當交流峰值大于濾波電容上電壓時導通)；當主電路要求待機時，待機控制電路只要不再提供可控硅觸發(fā)信號，橋式整流電路就不工作了，這時可控硅起到的是開關(guān)作用。這里需要解決的問題就是在開機瞬間當濾波電容上的電壓為零時，如何防止通過可控硅的電流過大燒毀可控硅，本發(fā)明實現(xiàn)的方法是，控制可控硅的導通時間，使濾波電容上的充電電壓分幾個周期達到正常工作時的電壓，即控制每個周期內(nèi)的充電電流，直到濾波電容進入正常工作狀態(tài)為止，這要求可控硅的觸發(fā)電路略有復雜。但這種電路比前面的開關(guān)管截止電路的優(yōu)點在于①圖2電路中開關(guān)管截止工作時，實際上整流濾波電路還處于工作狀態(tài)，濾波電容的漏電流還會產(chǎn)生一部分功耗，而可控硅全波整流電路不工作時，整流濾波電路不消耗電能；②電容器長期處于工作狀態(tài)會減少電容器的使用壽命，實際在電容器充滿電的狀態(tài)，濾波電容抗脈沖擊穿的能力最差，這是在電源污染較嚴重的電網(wǎng)內(nèi)濾波電容早期失效的主要原因之一，而本例的可控硅橋式整流電路可以避免這個問題；③在以往的橋式整流電路濾波電路中，在開機的瞬間巨大的充電電流對濾波電解電容器的壽命也會造成損害，使用本發(fā)明的可控硅全波橋式整流電路在電源接通的初期控制電解電容器的充電電流，可以延長電解電容的使用壽命。因此，使用可控硅橋式整流電路，可以大大延長濾波電容的使用壽命，這將是全波整流電路的發(fā)展方向。這種電路需要對已有的全波整流電路板改造，這對已有完整設計的設備改造比較困難，但從增加電源的可靠性和電路成本來說還是相對較低的?？煽毓璧挠|發(fā)可采用光耦，也可采用變壓器觸發(fā)，本實施例采用的是變壓器觸發(fā)方式。待機控制電路主要由待機控制芯片組成，它的任務是觸發(fā)可控硅，接收和識別待機和啟動信號，并控制市電隔離電源的是否工作，待機芯片可以是單片機，也可以制成專用電路以降低成本。由于使用待機芯片控制可控硅觸發(fā)，所以不會額外地增加可控硅觸發(fā)電路的成本。
在市電隔離電源正常工作狀態(tài)，待機芯片[10]的可控硅觸發(fā)脈沖輸出[9]不斷發(fā)出觸發(fā)脈沖，當市電電壓高于濾波電容上的電壓時，加正向電壓的可控硅輪流導通，給濾波電容充電；當待機芯片接收到待機信號后，將停止發(fā)出可控硅出發(fā)脈沖，可控硅橋式整流電路停止工作，市電隔離電源也停止工作，待機控制電路的工作電流由電容降壓全波整流電路提供；當待機芯片接收到啟動信號后，待機芯片[10]將控制可控硅在每個周期內(nèi)的導通時間逐步延長，直到整流電路正常工作為止，這個過程在100-200mS幾個交流周期內(nèi)完成，交流同步信號[8]保證待機芯片提供的觸發(fā)信號能精確地控制可控硅的導通時間。
圖4所示為采用繼電器控制市電隔離電源是否工作的容開電源示意圖。該實施例是在市電輸入端加繼電器[12]，這種方案相對前兩個實施例的優(yōu)點在于設備待機時繼電器[12]將交流電全部切斷，這樣在斷電待機時，可以讓橋式整流電路前面的濾波電路也脫離電網(wǎng)，這有利于延長所有元器件的使用壽命。在日常家用電器(如電視機、DVD、音響等)上都有一個按鍵式電源開關(guān)，如果將這個電源開關(guān)換成由繼電操作控制的按鍵開關(guān)，這既符合人們手動開關(guān)機的習慣，又可以實現(xiàn)自動開關(guān)機和遙控開關(guān)機的功能。
圖5所示為采用雙向可控硅加在市電隔離電源輸入端控制市電隔離電源是否工作的方案，該方案比較可控硅全波橋式整流電路的優(yōu)點在于可控硅的觸發(fā)電路簡單，待機控制電路可以直接接到雙向可控硅的控制極，這就提高了觸發(fā)可靠性并降低了觸發(fā)功率，但缺點是雙向可控硅在工作時將產(chǎn)生功耗。和繼電器控制市電隔離電源的方案比較，本實施例同樣是在待機狀態(tài)時完全切斷市電隔離電源的市電輸入，更具有體積小、成本低的特點。因此，可以做成獨立的電路方便地改造現(xiàn)有各種電子設備以達到節(jié)能的目的。同樣，和可控硅全波整流電路一樣，在雙向可控硅接通的瞬間，需要控制雙向可控硅的導通時間，以防止由于濾波電容的充電電流燒毀雙向可控硅。
在一些電子設備上，常使用薄膜開關(guān)或微動開關(guān)等啟動設備，由于這類開關(guān)是不具有市電隔離的能力低壓開關(guān)，所以不能從市電獲得能量啟動待機電路。圖6所示為兩個互感線圈構(gòu)成的可控振蕩電路，放大器A的輸出信號通過兩個互感器反饋到輸入端，兩個互感線圈B1和B2之間由開關(guān)K聯(lián)接，開關(guān)K斷開時，反饋通路被切斷，且放大器A處于負反饋狀態(tài)，無信號輸出；按下開關(guān)K正反饋通路接通，電路振蕩，振蕩信號經(jīng)整流后變成電平信號啟動待機電路進入工作狀態(tài)。這個啟動電路在待機時不起振，啟動電路消耗電能很少，啟動觸發(fā)時，只需按下開關(guān)K，而不需輸入電信號，且開關(guān)接點和市電是隔離的，這種啟動方式可以在監(jiān)視器，外接充電器，DVD播放機等多種電器上使用，在鼠標，鍵盤上安上這種啟動開關(guān)，也可在鍵盤或鼠標上直接啟動計算機。
最佳實施例在有按鍵電源開關(guān)的電子設備或工頻變壓器為市電隔離電源的電子設備上，更適合采用繼電器控制市電隔離電源的方案；在小功率的設備上應采用雙向可控硅的方案，它具有成本低、體積小、改造安裝方便的優(yōu)點，在大功率的場合，如果雙向可控硅的耗電成本大于可控硅觸發(fā)電路增加的成本時，就應考慮采用可控硅橋式整流電路控制的方案了。使用雙互感線圈可控振蕩觸發(fā)電路，可以方便地啟動或關(guān)閉電子設備。
本發(fā)明的具有微功耗待機功能的容開電源是對電子設備的電源系統(tǒng)在節(jié)能的要求下的新的發(fā)展，智能化電子設備在我們的日常工作和生活中大量的使用，電子設備處理的速度增快，以及要求電子設備能夠全天候的為人服務，電子設備更多的時間是工作在待機準備工作狀態(tài)，設備的待機功耗已經(jīng)成了不可忽視的問題。只有將電子設備的處理電路和待機電路分開，采用不同的供電方式，才能有效地將待機功耗減到最小的程度，這也是本發(fā)明的具有微功耗待機功能的容開電源主導思路。該電源系統(tǒng)用在電視機、視盤機、錄像機、家庭影院等家用電子設備上，在遙控關(guān)機后真正實現(xiàn)家用電器的交流關(guān)機，并且可用遙控器重新開機；用在傳真機上，在沒有傳真信號時傳真機不耗電，有傳真信號時自動開啟傳真機，對這類絕大部分時間是工作在待機狀態(tài)的電子設備，將最大限度的節(jié)省能源；在打印機、掃描儀、監(jiān)視器等計算機外設上使用本發(fā)明的電源系統(tǒng)，可以容易的控制計算機外設在不用時進入幾乎不耗電的待機狀態(tài)，并可隨時接收計算機指令回到工作狀態(tài)。并且本發(fā)明的具有微功耗待機功能的容開電源還有成本低、體積小、可靠性高的特點，可以方便地安裝在現(xiàn)有的需要待機功能的電子設備上。
權(quán)利要求
1.一種電子設備上將市電交流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電的微功耗待機容開電源，主要由市電隔離電源、電容降壓整流濾波待機電源和待機控制電路組成，其特征在于(1).設備正常工作時，市電隔離電源提供設備主電路工作所需的電流；(2).設備進入待機狀態(tài)時，待機控制電路控制隔離電源停止工作，設備的待機任務完全由待機控制電路完成；(3).待機控制電路工作在與市電不隔離的區(qū)域，其工作電流由電容降壓整流濾波電路提供。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微功耗待機容開電源，其特征在于市電隔離電源可以是開關(guān)電源或是工頻變壓器整流電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微功耗待機容開電源，其特征在于采用控制開關(guān)管停止振蕩的方法使市電隔離電源在待機時停止工作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微功耗待機容開電源，其特征在于采用控制可控硅橋式整流電路的方法使市電隔離電源在待機時停止工作。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微功耗待機容開電源，其特征在于采用控制繼電器的方法使市電隔離電源在待機時停止工作。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微功耗待機容開電源，其特征在于采用控制雙向可控硅的方法使市電隔離電源在待機時停止工作。
7.根據(jù)權(quán)利要求3、4、5、6所述的微功耗待機容開電源，其特征在于采用雙互感線圈的可控振蕩電路控制待機控制電路的工作狀態(tài)。
全文摘要
智能化電子設備在我們的日常工作和生活中大量的使用，電子設備處理的速度增快，以及要求電子設備能夠全天候的為人服務，電子設備更多的時間是工作在待機準備工作狀態(tài)，設備的待機功耗已經(jīng)成了不可忽視的問題。本發(fā)明提出一種由開關(guān)電源、電容降壓整流電路和待機電路組成的混合電源—微功耗待機“容開電源”，是對電子設備的電源系統(tǒng)在節(jié)能的要求下的新的發(fā)展。本發(fā)明的微功耗待機容開電源將電子設備的處理電路和待機電路分開，并采用不同的供電方式，有效地將待機功耗減到最小的程度，這將是智能化電子設備電源系統(tǒng)和待機功能設計的新思路。
文檔編號G05F1/10GK101013859SQ200610002810
公開日2007年8月8日 申請日期2006年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月5日
發(fā)明者王海 申請人:王海