一种待机零功耗的开关电源及用电设备

摘要

本发明提出一种待机零功耗的开关电源及用电设备，所述电源包括第一开关管、第二开关管、第一电容、第二电容、整流电路和检测处理控制电路；第一开关管和检测处理控制电路共同构成用于控制第二关管开关状态的驱动电路，检测处理控制电路检测输入电源的交流电的正负极性，通过控制第一开关管的开关状态控制第二开关管的栅极电压，使第二开关管在输入电源的交流电切换方向时相应地切换开关状态；检测处理控制电路还检测第二电容两端电压，当检测到的电压达到基准电压时，控制第一开关管导通，第二开关管截止，将第一电容并联入所述电源的输入端。本发明提出的方案，能够使开关电源的待机功耗降低到微瓦级别。

权利要求

1.一种待机零功耗的开关电源，其特征在于，包括：第一开关管、第二开关管、第一电容、第二电容、整流电路和检测处理控制电路；

整流电路的一端连接所述电源的第一输入端，另一端连接第二开关管的漏极，第二开关管的源极串联第二电容，第二电容的另一端连接所述电源的第二输入端，第二电容两端的电压为所述电源的输出电压；第一电容作为启动电路，一端连接所述电源的第一输入端，另一端连接第二开关管的栅极；第一开关管和检测处理控制电路共同构成用于控制第二关管开关状态的驱动电路；其中，第一开关管的漏极连接第二开关管的栅极，第一开关管的源极连接所述电源的第二输入端，第一开关管的栅极由检测处理控制电路控制；

检测处理控制电路检测输入电源的交流电的正负极性，通过控制第一开关管的开关状态控制第二开关管的栅极电压，使第二开关管在输入电源的交流电切换方向时相应地切换开关状态；第二开关管导通时，输入电源的电压向第二电容充电，反之，则停止对第二电容充电；检测处理控制电路还检测第二电容两端电压，当检测到的电压达到基准电压时，控制第一开关管导通，第二开关管截止，将第一电容并联入所述电源的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种待机零功耗的开关电源，其特征在于，所述整流电路为一个整流二极管。

3.根据权利要求1所述的一种待机零功耗的开关电源，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管均为NMOS管，或均为PMOS管。

4.根据权利要求1所述的一种待机零功耗的开关电源，其特征在于，所述第二电容为电解电容。

5.一种用电设备，其特征在于，所述设备中包括权利要求1至4任意一项所述的开关电源。

说明书

一种待机零功耗的开关电源及用电设备

技术领域

[0001] 本发明涉及开关电源技术领域，具体涉及一种待机零功耗的开关电源及用电设备。

背景技术

[0002] 市面上的零功耗开关电源，实际上只是待机功耗在5mW以下的开关电源（根据IEC 62301标准的定义，待机功耗在5mW以下，即可称为零功耗），这些开关电源的功耗都在mW级。

[0003] 而现有的零功耗开关电源的待机功耗维持在mW级而不能更低的原因在于，现有的开关电源的启动电路通常采用耗电的电阻启动电路（如图4所示）、耗电的电容启动电路（如图5所示）、开关电源芯片从内部功率MOSFET的漏极吸收电流对Vdd储能电容充电的启动电路（如图6所示）、高压耗尽型场效应管启动电路（如图7所示）来实现开关电源的启动。

[0004] 这些启动电路，在开关电源空载时任然消耗电能，导致开关电源的待机功耗无法更低，更不可能做到完全的零功耗待机。

发明内容

[0005] 发明目的：为了克服现有技术的缺陷，提供一种待机功耗更低的开关电源，本发明提出一种待机零功耗的开关电源及用电设备，本发明提出的方案，能够使开关电源的待机功耗降低到微瓦级别。

[0006] 技术方案：为实现上述目的，本发明提出以下技术方案：

[0007] 一种待机零功耗的开关电源，包括：第一开关管、第二开关管、第一电容、第二电容、整流电路和检测处理控制电路；

[0008] 整流电路的一端连接所述电源的第一输入端，另一端连接第二开关管的漏极，第二开关管的源极串联第二电容，第二电容的另一端连接所述电源的第二输入端，第二电容两端的电压为所述电源的输出电压；第一电容作为启动电路，一端连接所述电源的第一输入端，另一端连接第二开关管的栅极；第一开关管和检测处理控制电路共同构成用于控制第二关管开关状态的驱动电路；其中，第一开关管的漏极连接第二开关管的栅极，第一开关管的源极连接所述电源的第二输入端，第一开关管的栅极由检测处理控制电路控制；

[0009] 检测处理控制电路检测输入电源的交流电的正负极性，通过控制第一开关管的开关状态控制第二开关管的栅极电压，使第二开关管在输入电源的交流电切换方向时相应地切换开关状态；第二开关管导通时，输入电源的电压向第二电容充电，反之，则停止对第二电容充电；检测处理控制电路还检测第二电容两端电压，当检测到的电压达到基准电压时，控制第一开关管导通，第二开关管截止，将第一电容并联入所述电源的输入端。

[0010] 本发明中，检测处理控制电路的启动电压由第一电容提供，检测处理控制电路启动后，通过检测输入电源的交流电的正负极性判断输入的交流电是正向还是负向，进而控制第一开关管的导通和截止，通过第一开关管控制第二开关管的栅极电压，使得第二开关管在输入正向交流电和反向交流电时切换不同的开关状态，实现开关电源的开关功能。另一方面，检测处理控制电路启动后，还检测第二电容的端电压（也就是电源的输出电压），当第二电容的端电压达到基准电压（第二电容充满电时的电压）的时候，控制第一开关管导通，使第二开关管截止，这时，第一电容就会通过第一开关管并联到电路中；当第二电容的端电压达不到基准电压时，检测处理控制电路又会控制第一开关管截止，使第二开关管导通，使输入电源的交流电继续给第二电容充电。

[0011] 当电源空载时，第二电容两端的电压为基准电压，这个时候，检测处理控制电路会控制第一开关管导通，使第二开关管截止，交流电进入电源以后只有一个路径，即第一电容到第一开关管这个路径，由电容的特性可知，并联在电路中的电容的功率为无功功率，而第一开关管导通后，电阻在毫偶级别，因此功耗极低，整个电源的待机功耗能够达到微瓦级。

[0012] 据此电路结构和原理构成的零功耗电源在待机状态(空载)维持稳定的输出电压的同时自身的输入有功功率为零。在长时间待机状态下，由于空气以及元件微小自漏电等因素可能会造成输出电压变动，这种情况下检测处理控制电路可以及时检测到输出电压的变化，并瞬间调整保持待机时的输出电压稳定不变。当零功耗电源输出由空载转为加载工作时，该电源可以输出W级稳定电压，使其构成的系统唤醒并工作。

[0013] 以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。

[0014] 可选的，所述整流电路为一个整流二极管。

[0015] 可选的，所述第一开关管和第二开关管均为NMOS管，或均为PMOS管。

[0016] 可选的，所述第二电容为电解电容。

[0017] 本发明还提出一种用电设备，所述设备中包括所述的开关电源。

[0018] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

[0019] 1、本发明采用第一电容作为启动电路，在电源空载时，控制第二开关管断开，并将启动电路并联到电源的输入端。第二开关管断开后，由于第二电容的充电电路中全部器件均采用电压控制，所以第二电容的充电电路中全无电流，也就不产生功耗；而第一电容并联到输入端后，交流电仅能通过第一电容和第一开关管的这一路径，第一电容的功率为无功功率，不产生功耗。整个电源在待机状态下的唯一功耗由第一开关管的导通电阻产生，而这个导通电阻仅为毫偶级别，功耗极低，因此本开关电源待机状态下的功耗能够达到微瓦级别。

[0020] 2、本发明只采用极少的器件即可实现待机零功耗电源，成本极低。

[0021] 3、本发明提出的待机零功耗电源可以单独使用，也可以直接嫁接到各种类型和各种不同功率的开关电源集成电路中。

附图说明

[0022] 图1为实施例1涉及的待机零功耗的交流开关电源的电路图；

[0023] 图2为实施例1的实验仿真波形图；

[0024] 图3为实施例2涉及的待机零功耗的交流开关电源的电路图；

[0025] 图4为现有技术中的电阻启动电路示意图；

[0026] 图5为现有技术中的电容启动电路示意图；

[0027] 图6为现有技术中的开关电源芯片从内部功率MOSFET的漏极吸收电流对Vdd储能电容充电的启动电路示意图；

[0028] 图7为现有技术中高压耗尽型场效应管启动电路。

具体实施方式

[0029] 下面将结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。但应当理解的是，本发明可以以各种形式实施，以下在附图中出示并且在下文中描述的一些示例性和非限制性实施例，并不意图将本发明限制于所说明的具体实施例。

[0030] 应当理解的是，在技术上可行的情况下，以上针对不同实施例所列举的技术特征可以相互组合，从而形成本发明范围内的另外的实施例。此外，本发明所述的特定示例和实施例是非限制性的，并且可以对以上所阐述的结构、步骤、顺序做出相应修改而不脱离本发明的保护范围。

[0031] 本发明旨在提出一种开关电源，能够使启动电路在待机状态下产生的功耗接近零，进而实现电源待机状态的零功耗。

[0032] 有鉴于此，本发明提出一种待机零功耗的开关电源及用电设备，下面将结合附图通过具体实施例详细说明。

[0033] 实施例1：

[0034] 图1示出了本实施待机零功耗的开关电源的具体电路，本实施例中，采用两个NMOS管m1和m2作为开关管，采用一个二极管D1作为整流器件，除此之外，还包括第一电容C1、第二电容C2和一个检测处理控制电路。

[0035] m2的漏极接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极接交流电源的零线N；m2的栅极串联C1，C1的另一端接交流电源的零线N；m2的源极串联C2，C2的另一端接交流电源的相线L，C2的两端即为所述电源的输出端，连接负载；m1的漏极接m2的栅极，m1的源极接交流电源的相线L，m1的栅极由检测处理控制电路控制。

[0036] 检测处理控制电路检测输入到电源中的交流电的极性，并进行以下控制：

[0037] 1.1.当N端交流电为正时，输入到电源的交流电一路通过D1加到m2的漏级，另一路通过电容C1加到m2栅级使得m2导通；这时，检测处理控制电路控制m1处在截止状态，则正电荷通过D1和m2的源级向C2充电。

[0038] 1.2.当N端交流电为负时，由于D1电压反向，所以m2截止，停止对C2充电；而此时C1放电，检测处理控制电路控制m1导通，电流通过C1、m1支路，电容C2的充电电路（D1、m2、C2支路）中无电流。当N端交流电再次为正时，电容C1开始充电，检测处理控制电路控制m1截止，此时交流电通过C1再次施加在m2的栅极，使m2导通，交流电通过D1再次对C2进行充电。

[0039] 1.3.检测处理控制电路还检测C2两端的电压，当检测到C2的端电压达到基准电压（C2充满时的电压）时，检测处理控制电路控制m1导通。这样就将m2栅级相对与其源级变负令其截止，停止向C2充电，同时m1的导通将电容C1并接到交流电电源两端。如果这时电源处在待机状态（Vdd输出空载），由于m1、m2都是电压控制，因此D1、m2、C2都不通过电流；而此时交流电流入零功耗电源的路径实际上只有一条，就是交流电的N经过C1和m1到交流电L。流过C1的电流值iC1 = 2πfC1U (iC1:电容C1电流；f:交流电源频率；C1:电容C1的容量；U: 交流电电压)。根据电路原理，电容C1的电流iC1的相位超前其两端交流电压U相位90º（见零功耗电源电原理仿真波形图2），其有功功率P=iC1Ucosφ=iC1Ucos90º=0，故通过C1的电流是无功电流，不消耗任何电电功率。整个电源在待机状态下的唯一功耗由m1的导通电阻产生，而这个导通电阻仅为毫偶级别，功耗极低，因此本开关电源待机状态下的功耗能够达到微瓦级别。

[0040] 实施例2：

[0041] 图3示出了另一种待机零功耗的开关电源的具体电路，本实施例中，采用两个PMOS管m1和m2作为开关管，采用一个二极管D1作为整流器件，除此之外，还包括第一电容C1、第二电容C2和一个检测处理控制电路。

[0042] m2的漏极接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极接交流电源的零线N；m2的栅极串联C1，C1的另一端接交流电源的零线N；m2的源极串联C2，C2的另一端接交流电源的相线L，C2两端的电压即为所述电源的输出电压，即C2两端并联负载；m1的漏极接m2的栅极，m1的源极接交流电源的相线L，m1的栅极由检测处理控制电路控制。

[0043] 检测处理控制电路检测输入到电源中的交流电的极性，并进行以下控制：

[0044] 2.1.当N端交流电为负时，负电压一路通过二极管D1加到m2的漏极，另一路通过电容C1加到m2栅极使得m2导通。这时检测处理控制电路控制m1处在截止状态，输入电源的电压通过D1、m2向电解电容C2充电。

[0045] 2.2.当N端交流电为正时，电容C1通过m1向N端和L端放电。这时因D1两端电压反向，故MOS管m2截止，直到N端交流电为负时，m2导通，恢复对电解电容C2充电。

[0046] 2.3.当检测处理控制电路检测到C2端电压达到检测处理控制电路中的基准电压时，检测处理控制电路输出电压控制m1导通，这样就将MOS管m2截止，停止向C2充电。同时m1的导通将电容C1无损并接到交流电电源N端和L端之间。如果这时电源处在待机状态（Vdd输出空载），由于m1、m2都是电压控制，因此D1、m2、C2都不通过电流；而此时交流电流入零功耗电源的路径实际上只有一条，就是交流电的N经过C1和m1到交流电L。根据电路原理，通过C1的电流是无功电流，不消耗任何电电功率。整个电源在待机状态下的唯一功耗由m1的导通电阻产生，而这个导通电阻仅为毫偶级别，功耗极低，因此本开关电源待机状态下的功耗能够达到微瓦级别。

[0047] 实施例1和实施例2所述电路结构和原理构成的零功耗电源在待机状态(空载)维持稳定的输出电压的同时自身的输入有功功率为零。在长时间待机状态下，由于空气以及元件微小自漏电等因素可能会造成输出电压变动，这种情况下检测处理控制电路可以及时检测到输出电压的变化，并瞬间调整保持待机时的输出电压稳定不变。当零功耗电源输出由空载转为加载工作时，该电源可以输出W级稳定电压，使其构成的系统唤醒并工作。

[0048] 实施例3：

[0049] 本实施例还提出一种用电设备，所述用电设备中包括本实施所述的开关电源。

[0050] 需要注意的是，实施例1-3中，零线和相线的接法反之亦可。检测处理控制电路只需要完成对应功能即可，采用任何现有技术实现本实施例所述检测处理控制电路功能的方案，均应纳入本发明的保护范围。

[0051] 实施例1-3中，电容C2优选为电解电容，用于储能和滤波。

[0052] 实施例1和实施例2所述的待机零功耗电源相对于现有零功耗电源，至少具有以下优势：

[0053] 1、所采用的器件极少，除检测处理控制电路之外，仅用了m1、m2、C1、C2、D1共5个低价值电子元件，使本零功耗电源实现成本最低；

[0054] 2、本实施例中不使用整流桥，也不使用变压器或电感元件，故不会产生EMC电磁干扰；

[0055] 3、本实施例可以单独使用构成独立的零功耗电源，也可以直接嫁接到各种类型和各种不同功率的开关电源集成电路中。比如可以用本专利所述的待机零功耗电源替代百瓦或千瓦的开关电源集成电路的启动电路，就可以使该电源在待机时功耗为零。

[0056] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0057] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。