降低开关电源待机功耗的电路分析

唐子健

摘要：围绕着物联网的概念，诞生了一些智能家居、无人售货、工业自动化等新领域，需要大量用到使用微电子电路作为检测、监控、控制的手段，这些设备、部件长时间通电待机，要消耗一定无用功的电能。在现在用电负荷越来越高，用电费用越来越贵的今天，智能家居、物联网智能化的同时，要降低无用功的电能消耗，控制不必要增长的电能消耗。

关键词：开关电源；待机功耗

1引言

物联网（英语：InternetofThings，缩写：IoT），最早在1999年由工作于宝洁公司的KevinAshton创造，他带领和麻省理工学院合作的队伍成立AUTO-ID中心，为宝洁公司研发基于RFID技术的供应链管理技术。

智能电网是一种现代化的输电网络。利用信息及通信技术，以数字或模拟信号侦测与收集供应端的电力供应状况和使用端的电力使用状况。再用这些信息来调整电力的生产与输配，或调整家电及企业用户的耗电量，以此达到节约能源、降低损耗、增强电网可靠性的目的。也是物联网的其中一种形式。

无论物联网、还是智能电网，都离不开一个必要的需要¬--电力，都是基于低压用电的智能设备服务端和终端设备。电力供应不能简单地从发电站直接连接到这些设备上，电力传输过程中要经过多次升压、降压的转换过程。因此传统的智能检测控制设备需要经过体积大、发热大、转换效率低的线性电源转换为需要用到的工作电压，造成设备的体积、制造成本等不能适合未来的技术发展，特别是运行时电力消耗成本对于企业的财政造成很大的负担，这时候需要用到开关模式电源，简称开关电源，来提供供电、降压功能，但开关电源不能完全达到100%的转换效率，开关电源电路在转换的过程也会有无功电能消耗，现阶段供电部门也对供电的线路、智能电网设备也提出了最低限度的电能损失做出了严格的要求，这是本文以此为目的作为分析的课题。

2开关电源电路的特性

开关电源泛指电路中有电子器件工作在高频开关状态的直流电源，不同于传统的线性电源，开关电源利用的切换晶体管多半是在全开模式（饱和区）及全闭模式（截止区）之间切换，两个模式都有低耗散的特点，切换之间的转换会有较高的耗散，但时间很短，因此比较节省能源，产生废热较少。理想上，开关电源本身是不会消耗电能的。电压稳压是透过调整晶体管导通及断路的时间来达到。相反的，线性电源在产生输出电压的过程中，晶体管工作在放大区，本身也会消耗电能。开关电源的高转换效率是其一大优点，而且因为开关电源工作频率高，可以使用小尺寸、轻重量的变压器，因此开关电源也会比线性电源的尺寸要小，重量也会比较轻。对输入电压要求低，可以达到交流85-265V的宽电压输入。

3开关电源的能量损耗

现在做电源，除了效率以外，空载或者待机功耗也变得越来越重要了，特别是用于大规模建设的物联网和智能电网。这不仅是因为各种各样的能效标准的执行，也需要符合实际应用的需求，因为大部分的用电设备都长期工作在待机状态，在非工作状态时的无效损耗造成一定的电能浪费和企业运营的负担。以离线式的开关电源为例，不同的应用对待机功耗要求不一样，有500mW、300mW、再到100mW，甚至是很多充电器所追求的10mW以下。

对一款5V/1A的手机充电器测量，在待机状态，没接上负载输出时，交流输入电流有0.12mA，即约有2.64mW的无用功功率，

用公式：

可以算出：

对一个工业级额定20w输出功率的开关电源测量，空载待机状态更达到12mA！一年无用功消耗电能23.1264kW·h！如果使用了更大输出功率的开关电源，待机功耗也会更大。因为开关电源电路本身，即使输出端没有负载，但滤波电容、开关电源管理IC、稳压管、变压器绕组线圈等都在导通状态，无形中消耗电能。

4针对性控制开关电源待机功耗

先从AC输入端开始分析，整流桥堆前最大的损耗来自于X电容放电的电阻。按照安规标准要求1s内把X电容的电荷释放到安全电压以下。电容值越大，放电的阻力越小，损耗越大。例如0.33uF的电容并联3M的电阻，220Vac条件下的空载损耗达到18mW。为了节约这部分功耗，X电容要尽量小。也有一些把这个功能集成到主控芯片里面的方案，比如FAN6756。有一个HV脚通过二极管和限流电阻直接连接交流电源端，同时实现X电容放电和启机的功能。

另外输出端也并联了电容放电用的电阻，开关电源输出的额定功率越大，输出的滤波电容容量也相应更大，放电电阻的放电速度更快，也是开关电源功率越大待机电流越大的原因之一，可以尽量用小容量的电容和更大阻值的电阻限制电能的损耗。

还有一种设计，采用高压部分整流后稳压两路输出结构，其中一路基于常见的开关电源电路，另一路并联DC-DC限流降压电路，提供给MCU芯片。一般MCU芯片只需要5mW的功率就可以工作了，在开关电源直流母线中间加入MOSFET管，由MCU芯片控制MOSFET的导通，在需要的时候才启动开关电源部分，不需要时能完全截断开关电源待机的损耗，而且现在的MCU也可以做到待机功耗达到0.5mW左右。比如按触开关或遥控的风扇等，只需要提供稳定的电压给MCU正常工作和待机信号，收到工作信号触发，立即启动导通MOSFET启动开关电源工作

以ICE3B0565芯片为例，ICE3B0565有内置启动元件，因此无需使用外部启动电阻器。此启动元件与IC的漏极引脚相连。给ICE3B0565的漏极Drain引脚加上电压，启动元件就会给Vcc电容充电。Vcc电压超过18V的欠压锁定值UVLO时，IC启动。然后Vcc电压通过辅助绕组实现自举，以持续运行。Vcc端口输入工作电压允许在10.3V至26V之间，当电压低于10.3V时，IC进入欠电压保护模式。

图1，ICE3B0565开关电源典型电路

对开关电源IC芯片ICE3B0565工作特性分析，截断Vcc端口的电路也能将开关电源从工作模式转入保护模式，相当于进入休眠状态。如果将Drain端口也截断，开关电源进入关闭状态。由此可知，利用MOSFET的高反击穿电压，超小的泄露电流，很小的驱动功率，很快的开关速度的特性，用在开关电源的供电侧，实现更加低的待机能耗。

用ICE3B0565芯片搭载一个额定输出功率9w的开关电源电路，经测量，截断Vcc端口，经过电感L1线路有13.6mA直流电流，截断Vcc端口后，电流表显示还有10mA直流电流，将Vcc端口和Drain端口也断开，测得电流为0mA。

如果在电感L1的后端、电容C2的前端，加入MCU实现智能控制，利用PNP和NPN型的MOSFET管组成的复合开关电路或隔离光耦电路配合，就可以控制开关电源工作和完全关闭。

图2，加入PNP和NPN型的MOSFET管组成的复合开关电路：

加入MOSFET管组成的复合开关电路作为开关电源的工作控制后，利用MCU控制大功率的开关电源工作，理论上整流后流经L1的直流电流最低只需要0.1mA。经过在搭载的试验电路上测试，交流输入电压在86至265V范围内，相线交流电流只要0.13mA，大约是0.03w功率，和一个5w的手机充电器空载的功率相当，但是不受开关电源的额定功率大小的影响，被控制的开关电源功率越大，节省效率越高。

以一般家用智能扫地机为例，充电功率在15-45w范围，待机功率大约0.6w。如果通过在充电座里加入感应驱动IC，控制图2里增加的复合开关电路，控制开关电源开关，能实现不充电时待机的功耗控制在0.05w以内，这样就可以节省一些不在充电需要时的电能损耗。

这种电路设计，也可以应用于近几年开始普及的预付费用断路器、车用充电桩等智能电网基础设备，满足在宽电压输入情况下，相线供电电流在0.2mA以下的标准要求。

5结语

本文描述了开关电源电路在不需要输出供电时，如何减少待机时的无用功消耗，还搭建一种能在智能控制设备、智能电网中可以利用的开关电源供电电路，将开关电源待机功耗进一步降低，符合节能减排的趋势。但还存在一些限制，加入的控制部分需要待机功耗很低的限流电路和低功耗的控制IC或MCU，这部分控制电路没有和市电隔离处理，对抗干扰、抗浪涌冲击能力有更高的要求。这种电路也达到《南方电网费控电能表用外置低压断路器技术规范书》里面的要求：1.4.14.相线泄露电流（IL），控制单元分合闸后，每个相线消耗的稳态电流应小于0.2mA。可以用于设计不同用途的分合闸电动操作的小型断路器。

参考文献：

[1]《物联网导论》：刘云浩，科学出版社，2011.

[2]《电源设计基础》：RobertA.Mammano，文天祥（译），辽宁科学技术出版社，2018.

[3]《南方电网费控电能表用外置低压断路器技术规范书》：广东电网有限责任公司，2016.