_零功耗_待机电源控制技术的实现

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电路与应用
红外信号监 测电路在 ! 电 池 " 支持下运 行 # 这 时 电 池 输出静态待 机电流 $ 在 收到启动编 码 后 # 电 池 支 持 ! 单片机 "%! 红 外信号接收 " 电路运行 # 并驱动 ! 继 电 器 ! "# 在电视机 启 动 完 成 后 # 改 由 电 视 机 的 "# $ 电 源供电 # 这个过程中电池输出动态待机电流 $ 研究表明 & 为了保证用 ! --- 1/ ’ 2 时的小容量 电 池长期支持 待机运行 # 装 置的静态 与 动 态 待 机 电 流的总和必须降到几个微安的水平 $ 这要求对控制 装置进行极低能耗设计 $ 红外信号监测电路是一个处于临界偏置的微 功 耗交流小信 号放大与 开关电路 # 静 态 电 流 被 设 计 在 -43 !/ 左 右 # 再 考 虑 单 片 机 的 休 眠 电 流 # 装 置 的 静态待机电流就可以被保证在 -4# !/ 以下 * 典型环 境下 ($ 夜 间 红 外 背 景 减 弱 #静 态 待 机 电 流 最 低 #白 天 红外 背景增强 # 待 机电流增 大 $ 但 总 平 均 静 态 待 机 电流依然可以保证控制在 ! !/ 安以下 $
!
背景
据 统 计 $ 待 机 能 耗 已 占 民 用 电 力 消 耗 的 !"#
进 $ 使得采用非交流电源待机具有了现实意义 %
#
创新的待机控制实现方案
在采用继电器作为交流主回路控制开关这一
$!" $ 约占总发电量的 %" % 我国家电数量众多 $ 待机
能 耗 总 量 巨 大 $ 已 占 中 国 家 庭 电 力 消 耗 的 !"" 左 右 $ 城 市家庭的平 均待机能 耗相当于 这 些 家 庭 每 天 都在使用着一盏 !(U *" V 的长明灯 % 正如中国节能 产品认证中 心张国钦所 说 !’ 在我国 $ 仅 彩 电 一 项 的 待机能耗就相当于我们国家几个大型火力发电厂 的发电 总额 $ 由于我 国电能主 要来 源 于 火 力 发 电 $ 火力 发 电 造 成 二 氧 化 碳 (二 氧 化 硫 (粉 尘 等 污 染 环 境 ) * 按照 *+) 亿台电视机的社会拥有量计算 $ 如果 平 均 待 机 能 耗 为 %+"W V X!Y$%%Z 的 用 户 采 用 + 热 # 待 机模式 $ 每天待机 !W 个 小时 $ 那 么 需 要 #)! 万 千 瓦 电源容量 $ 年耗电将超过 !(" 亿千瓦时 ) 随着开关电 源节能潜力 被 进 一 步 挖 掘 $ 面 对 日
在没有交流电的情况下试图启动电视机或者 在交流掉电的情况下继续保持对 ! 继电器 ! " 的吸合 将造成电池 能量的急剧 消耗 # 这种 能 耗 被 称 为 无 效 能耗 $ 在启动过程中 # 只要 ! 继电器 ! " 的触点吸合 # 如 果交流 电源不存在 # 控制器就 根据 交 流 电 源 的 检 测 结果立即撤销对继电器 ! 的激励 $ 根据继电器的峰 值电流和吸合时间可计算出每次启动造成的日平 均电流消耗约 -4--> !/ $ 由于用户可很容易根据环 境状况判断 出电视机无 法启动的原 因 # 不 会 造 成 过 多的重复 启动 $ 在目 前供电环境 下 # 出 现 这 种 情 况
在保持容量 不变的原则 下 # 电 流 与 时 间 可 以 在 任意范围内折合 $
图,
动态平均电流
即使在 E-- 17 的启动时间条件下 # 动态平均电 流也只有 ,4,F !/ $
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静态待机电流 目 前 低 功 耗 单 片 机 的 休 眠 电 流 可 做 到 -4! !/
, ( 无效能耗
*Y 趋 严 厉 的 待 机 能 耗 指 标 X#U 交流电源待机将面临巨
背景下 $ 笔者取得了如下突破 ! ./ 独 立 待 机 电 源 控 制 装 ! # 极低 的 装 置 能 耗 / 置的 静态待机电 流降到了 - 亚微安 * 水平 $ 平 均 工 作 电流只有几个微安 ) 因此可以采用小容量 , 长寿命 , 一次性电池长期待机 $ 用一节 ! """ I. 0 C 左右的电 池可以达 到近 *" 年的理 论待 机 寿 命 $ 电 池 的 使 用 寿命能够 保证和电视 机的 - 安全使 用期限 * 相 匹 配 $ 降低了 电 源 固 有 成 本 ,使 用 成 本 ,消 除 了 使 用 过 程 中的 不便 ) 事实上 $ 装置的平均 工 作 电 流 已 经 降 到 了几 乎不用考 虑电池容量 的程度 $ 而 不 能 选 用 更 小 容量电池的主要原因在于需要电池提供驱动继电 器的脉冲电流 ) // 设 计 方 案 不 改 变 电 视 #1 优 良 的 可 整 合 性 / 机以 及遥控器的 电路结构 $ 不改变遥 控 器 的 操 作 模 式 $ 装置唯一要求是需要利用电视机的 [HOEF$H6 信 号 $ 因此易于实现与现有电视机的整合 ) // 小 容 量 的 一 次 性 电 池 , 高 性 价 * 1 低 成 本/ 比的待 机电源控制 电路 , 易于 与家 电 整 合 的 等 等 优 点 $ 使综合成本大大降低 )
以下 * 典型值 (# 对静态待机电流的总量影响不大 $ 标准的低功 耗 ! 红外信号 接收 " 电 路 * 例 如 一 体
化红 外接收头 ( 的 待机电流 一般在 #-- !/ 以上 # 这 是影响电池待机时间的关键因素 $ 本文 设 计 了 !红 外 信 号 监 测 "与 !红 外 信 号 接 收 " 相配 合的信号接 收电路 $ 一 套 电 路 用 以 在 装 置 待机 时红外信号 的监测 # 另一 套电路 用 以 实 现 红 外 编码的正常接收 $ 待机条件下只有红外信号监测电 路在运行 # 每 当检测到环 境中红外 信 号 变 化 时 就 会 唤醒单片机并同时启动 ! 红外信号接收 " 电路 $
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的机会本身 也很少 # 在交 流掉电过 程 中 $ 控 制 器 可 以在开关电源输出消失之前就撤销对中间继电器 + 的激励 $ 这个过程不会产生电池能耗 # 若在启动过 程中 $ 控制 器 在 规 定 时 间 内 没 有 检 测 到开关电源 ,’ - 电源输 出 $ 也 会 撤 销 对 继 电 器 + 的激励 # 但这个过程电流消耗较大 $ 按照 .%% /0 的 启动时间$ 每次启动相当于增加日平均电流消耗
! ( 参数
’ 电池 &! --- 1/ 2.345 $ ) 电视机每天启动次数 &
,- 次 ) 中 间 继 电 器 & 线 圈 功 率 -4, 6.3 $ # 吸 合 时 间
动态平均电流 . !/
!- 17 # 最小保持电压 !-8 * 取保持电压 ,-8 ()
单片 机 工 作 频 率 &! 9:; # 工 作 电 流 <-4# 1/ ) 红 外接收头 & 工作电流 <-4# 1/
! @ 峰 值 电 流 *1/ ( ! 峰 值 持 续 时 间 *7 ( A 保 持 电
流 *1/ (! 保持时间 *7 ( 根据容量不变原理可以折合成每天的平均电 流 " 消耗 &
图!
电源控制器结构示意图
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假定条件
"@!.=,B C2D!3 5-- C7D?
按照假定条件以及不同开关电源启动时间可 以得到图 , $
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,4# , !4# ! -4# !-,-3-B-#-5-E-日平均驱动电流
, ( 能耗
电池以电流 与时间的乘 积 作 为 容 量 # 于 是 在 给 定 时间内如果 电流增加 意味着电池 能 耗 在 减 小 # 所 以在本文的讨论中就直接采用电池电流作为能耗 评估指标 $
启动时间 .17
3 ( 容量不变原理
!%!
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动态待机电流 包括两个部 分 # 主要以 脉 冲 电 流 的 形 式 影 响 系
,,- $./0
电视机
统待机电流 $
%&’()*&+
继电器 , 交流 检测 驱动 继电器 ! 直流 检测 单 片 机 红外信 号监测 电源切换 红外信 号接收 电 池
! ( 功率驱动
影响动态待机电流的关键是继电器的驱动电 流 $ 本文中采用 了 ! 继电器 ! " 与 ! 继 电 器 , " 组 成 的 中继驱 动结构 # 这样 可以取得良 好 的 主 回 路 电 气 隔 离能力与较小的电池驱动电流的折中 $ ! 继电器 ! " 的脉冲驱动电流成为动态待机电流的主要部分 $ 继电器每次启动过程消耗的电池容量 ! 可由 下式计算 &