家用电器超低待机功耗的实现与应用

摘要：随着家用电器向农村的普及，家用电器的保有量进一步放大，其待机功耗的总量相当惊人。本文从降低家用电器待机功耗的节能要求出发，通过分析家用电器待机功耗产生的原因和主要环节，提出几种解决方案，通过分析比较，设计出一套适合家用电器快速切换实现的应用方案。

关键词：家用电器；待机功耗；实现；应用

中图分类号：TM5文献标识码： A

引言

随着人民收入和生活水平的提高，以及家电下乡等国家政策的扶持，家用电器（以下简称家电），从城市逐步向二线甚至边远地区进行普及。家电市场保有量持续放大，其待机功耗的总量逐步达到一个相当惊人的数量。据有关权威机构统计，家电待机能耗占中国家庭电力消耗的10%左右，家庭中各种家电产品的平均待机能耗高达15瓦到30瓦之间，仅彩电一项的待机能耗就相当于我国几个大型火力发电厂的发电总量。再以家用空调为例，一般没有经过特别设计的空调待机能耗都是数瓦以上，数千万规模的空调产品在一年里,待机耗电量积累下来可达数十亿千瓦时。

目前地球温室效应加剧，节能减排已引起世界的极大关注，而数量极为庞大的家电产品的待机能耗问题已经引起世界各国的重视。欧盟已经纷纷出台法令对家电产品的待机能耗进行规定，并成为产品准入的基本条件，我国目前也已经对家电产品开展了待机节能认证工作。

本文从降低家电待机功耗的节能要求出发，通过分析家电待机功耗产生的原因和主要环节，提出几种解决方案，通过分析比较，设计出一套适合家电快速切换实现的应用方案。

1、待机功耗的产生

如图1所示，一般家电的控制系统都由如下几大系统组成：电源系统，控制系统，显示系统，传感系统，电机和其它负载驱动。家电在待机的时候，负载基本都是不动作的，一般使用继电器，可控硅或IGBT驱动负载的电路基本不耗电。显示系统在待机的时候一般是不显示的，这部分电路基本也不耗电。所以电源系统，控制系统，传感系统才会有待机功耗的产生。

图1

1.1 传感系统

以家电温度传感电路为例。温度传感器实际是一种NTC(Negative Temperature Coefficient 负的温度系数)热敏电阻。将要检测的温度这些模拟信号转变为可读的数字信号，一般使用的是一个电阻分压电路。这类电路，机子待机时，一直会有电流流过传感器和分压电阻，因而形成功耗，不过相对来说，功耗是比较小的。

其它类别的传感器，如湿度，气体，电流等等，待机时，一方面MCU可能还要不断检测相关的数据，另一方面，这些传感器电路一直在工作，所以也一直产生功耗。

1.2 控制系统

目前家电基本都采用价廉的MCU来控制。在家电产品通电后，MCU就开始启动，MCU所消耗的电流只占整个家电产品工作时消耗功率的很小一部分，但是对于有超低的待机功耗要求时，这些功耗就不能忽略。

一般，我们MCU电源是DC5V，工作电流在30-50mA左右，工作功耗在0.15W-0.25W左右，如果要实现超低功耗待机，如小于0.5W甚至小于0.1W的时候，这些功耗就不能忽略了。

1.3 电源系统

目前的家电，大部分还是使用线性电源电路，通过变压器降压，然后整流，滤波，稳压得到我们想要的驱动负载用的DC12V和MCU使用的DC5V。

根据线性变压器的特点，其损耗主要包括铜损和铁损，铁损是一个定值，不随负载大小的变化。在小电流下，变压器的效率会非常低，一只质量不错3W的变压器在10mA负载电流下，自身功耗达到1.2W，而此时提供给负载的功率只有不到0.1W，效率很低。变压器的待机损耗总的来说占到变压器总功率的20%-30%。所以，变压器是家电待机功耗的首要因素。

对于稳压器，一般我们使用通用的稳压芯片7812和7805。对于12V的稳压，一般输入电压要高于17V，待机时，单路电源有近20-30mA电流流过，功耗也有（17-12）*20=0.1W；7805上面的功耗为（12-5）*20=0.14W。这样，对于单路12V和5V稳压电源，功耗有0.24W以上，基本仅次于变压器的待机功耗了。

2、实现家电待机功耗的降低

2.1 传感系统的功耗控制

传感系统的工作都要提供电源，对于这部分电路的功耗控制，只要切断电源就可以了。如果MCU对于传感输入信号的I/O口进行屏蔽就更好（可以让这些I/O口内部输出低电平）。如图2，待机时，MCU不输出驱动信号，Q1不工作而截止，同时Vo口芯片进行不检测或屏蔽，整个传感电路功耗为零。工作时，MCU输出驱动信号，Q1导通，电路正常工作。

图 2

2.2 控制系统的功耗控制

如果要实现超低功耗，MCU的功耗也不能忽略。常用的做法是让MCU在待机时进入休眠状态，芯片进入极低的频率运行，通常在几十个微安。当有中断等信号进来时，MCU唤醒，进入正常工作状态。

另外，目前很多芯片的厂商都推出低功耗的芯片，它们的工作电压越来越低，从5V到3.3V，1.8V，甚至到1.5V，这些芯片正常工作时功耗只有几个毫瓦，如果待机时进入休眠模式，待机功耗几乎可以忽略。

2.3 电源系统的功耗控制

线性电源系统是家电待机功耗的主要来源。一方面是变压器，一方面是稳压器。下图3是我们重新设计的家电控制系统电路图，从图中可见，将线性变压器改为使用AC/DC开关电源，而将线性稳压器改为使用高效率DC/DC变换器。这样设计后，AC/DC开关电源模块的系统效率较线性变压器大大提高，DC/DC模块更是可以实现从+12V到+5V的降压过程中几乎没有损耗，效率达到95%以上，大大提高电控系统在待机状态下的电源效率。

图 3

目前多数的开关电源控制芯片都是振荡频率固定的，当负载轻的时候，振荡停止，这种振荡方式，开关芯片本身的功耗最低可到80mW左右，如果想进一步降低功耗，就必须采用频率可变技术，即在负载轻重变化时，控制芯片自动调整开关频率，如下图4所示。加上对开关电源电路进行优化设计，可以使其自身功耗达到30毫瓦以下。

图 4

线性稳压器改用DC/DC模块，实现从+12V到+5V电源的转换，其自身功耗可以做到忽略不计。图5所示是使用美国MAXmam公司芯片设计的DC/DC变换器，其芯片尺寸小，元件少，输入电压范围宽输出电流大，很好地实现极低功耗的DC到DC的转换功能。

图 5

3、家电超低待机功耗的应用

通过上述分析，相信大家在新开发一款家电产品时，会很容易实现很低的待机功耗。

但是，在实际的家电厂家应用中面临很大的问题和挑战。2011年开始，出口欧盟的家电产品强制要求1W待机，2013年，欧盟要求待机进一步降低为0.5W。家电企业的挑战在于在一年多时间里要完成以往所有产品的待机要求的实现。全部重新设计将是一个巨大的工作量，时间上也来不及，而且重新认证的费用惊人！

有没有一种快捷的方法实现所有产品的待机要求呢？我们可以巧妙地把开关电源AC/DC模块通过结构的配合设计成与变压器安装相同的尺寸，输入输出线组设计成与变压器一样的长度和端子。就可以轻松地替代掉变压器，实现1W待机。同样，我们更为巧妙地将DC/DC模块设计成与现有的线性稳压器7805引脚和外形兼容，通过替换7805来实现小于0.5W的超低待机功耗要求。目前，很多大型的国际公司，都在使用我们这个思路推出集成他们芯片的DC稳压模组，有力证明了这个实现家电待机功耗的有效方法。

4、结束语

本文通过分析家电待机功耗产生的环节，并对每个环节提出了降低待机功耗的方案，最后提出了两个实际中解决家电企业难题的应用思路。这些措施在实际产品生产和销售中已经得到了广泛的应用。

对于家电待机功耗问题，大家在设计上想尽各种办法降低能耗，实际上只要我们养成一个好的习惯，电器在没有使用的时候把插头拔掉，是用最低成本实现待机零功耗最佳的解决方案。这才是我们应该要引导的全民环保节约的习惯。

参考文献：

[1]王晶晶，等. 浅谈家电的待机功耗.中国科技信息，2008（18）：142～143

[2]李毅. 家用电器待机耗电分析与家庭节电模式探讨.电气节能，2013,32（2）：39～43