智能家電的低待機(jī)功耗研究

蔡永華，徐哲諄，汪 洋

（ 浙江出入境檢驗(yàn)檢疫局檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心，杭州 311215）

智能家電的低待機(jī)功耗研究

蔡永華，徐哲諄，汪 洋

（ 浙江出入境檢驗(yàn)檢疫局檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心，杭州 311215）

從智能家電待機(jī)工作狀態(tài)入手，分析電器產(chǎn)品中參與待機(jī)工作的各部分電路原理，提出降低潛在功耗設(shè)計(jì)思路和計(jì)算方法，從家電設(shè)計(jì)研發(fā)階段對(duì)待機(jī)功耗進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)待機(jī)功耗精確測(cè)量方法關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行解讀以控制低功耗測(cè)試不確定度，有助于低待機(jī)功耗設(shè)計(jì)和測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。

智能家電；低功耗；功耗設(shè)計(jì)；待機(jī)功耗測(cè)量；產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化

引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)+家電的深入推廣，目前城市家庭的家電產(chǎn)品逐步從傳統(tǒng)家電向新式智能家電推進(jìn)，新的熱點(diǎn)給家電研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售注入了新的活力。智能家電與傳統(tǒng)家電相比，給消費(fèi)者帶來(lái)了便捷、舒適和以人為本的產(chǎn)品服務(wù)體驗(yàn)，智能家電的功能實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于微處理器、傳感器、通訊網(wǎng)絡(luò)和智能控制的協(xié)調(diào)工作，當(dāng)家電產(chǎn)品處于非積極工作模式時(shí)，將進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，以節(jié)省能源的消耗，由于電器產(chǎn)品處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于積極工作模式，待機(jī)功耗是目前家庭能源消耗的重要組成部分，國(guó)際經(jīng)合組織的一項(xiàng)調(diào)查稱(chēng)，各國(guó)因待機(jī)而消耗的能量占總耗能的3 %~13 %之間，我國(guó)的待機(jī)能耗高于國(guó)際平均水平。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)我國(guó)普通家庭的總待機(jī)功率約在30 W左右，隨著智能家電進(jìn)入更多家庭，這個(gè)功率值還將進(jìn)一步上升。降低新上市產(chǎn)品的待機(jī)功率，是降低家庭待機(jī)功率的最有效方法。本文從智能家電待機(jī)工作狀態(tài)入手，分析電器產(chǎn)品中參與待機(jī)工作的各部分電路原理，提出降低潛在功耗設(shè)計(jì)思路和計(jì)算方法，從家電設(shè)計(jì)研發(fā)階段對(duì)待機(jī)功耗進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)待機(jī)功耗精確測(cè)量方法關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行解讀以控制低功耗測(cè)試不確定度，有助于低待機(jī)功耗設(shè)計(jì)和測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。

1 我國(guó)及各主要國(guó)家電器待機(jī)功耗要求

我國(guó)電器產(chǎn)品的待機(jī)功耗沒(méi)有單獨(dú)給出限定值，對(duì)于常見(jiàn)家用電器都結(jié)合在產(chǎn)品能效標(biāo)準(zhǔn)中給出，表1給出常見(jiàn)家用電器產(chǎn)品的待機(jī)功耗要求?？照{(diào)、冰箱和洗衣機(jī)都結(jié)合在整體能效中考核，沒(méi)有待機(jī)功耗單獨(dú)要求數(shù)據(jù)。

國(guó)外主要國(guó)家對(duì)入境產(chǎn)品的待機(jī)功耗都有嚴(yán)格的要求[1]，大部分國(guó)家遵從國(guó)際“1 W”倡議，但歐盟、加拿大要求入境家用電器和消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品的待機(jī)功耗不大于0.5 W，對(duì)于帶網(wǎng)絡(luò)模式的可放寬至不大于1 W，澳大利亞和新西蘭要求，關(guān)機(jī)功耗不大于0.3 W，待機(jī)功耗不大于1 W，這些國(guó)家和地區(qū)的對(duì)待機(jī)功耗都提出比1 W更高要求。

2 智能家電待機(jī)功耗分析及對(duì)策

降低家用電器待機(jī)功耗沒(méi)有統(tǒng)一的方法，究其原因是由于各個(gè)智能系統(tǒng)都有其獨(dú)特的電子線路和電路特性，降低待機(jī)功耗須從參與待機(jī)各部分電路入手，分析其工作原理和特性，對(duì)每一部分電路能源消耗進(jìn)行控制。從功率流向的通路上考慮，造成能源消耗環(huán)節(jié)，有以下四個(gè)方面：EMC濾波電路和吸收電路、開(kāi)關(guān)電源電路、微處理器電路和外圍控制電路。

2.1 EMC濾波電路和吸收電路功耗設(shè)計(jì)分析

EMC的濾波電路由電感和電容組成，本身不產(chǎn)生功耗，但家電安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)GB 4706.1-2005《家用和類(lèi)似用途電器安全 第1部分：通用要求》 22.5條規(guī)定，插頭在電壓峰值斷開(kāi)后1 s，插腳間電壓不應(yīng)超過(guò)34 V。為滿足安規(guī)要求，使用干擾抑制電容時(shí)，需配置放電電阻。放電電阻并聯(lián)電源兩端將產(chǎn)生額外的功耗，經(jīng)推導(dǎo)分析[2]，公式（1）為放電電阻極大值算式和公式（2）為功耗極小值算式，表2給出了額定電壓220 V電器產(chǎn)品對(duì)應(yīng)常用電容對(duì)應(yīng)的電阻極大值和功耗極小值。

其中U為電器產(chǎn)品額定電壓，C為電容值。

表2給出了功耗極小理論值，但實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)考慮安全余量，功耗會(huì)比理論值要大一些。

解決放電電阻功耗可采用專(zhuān)用芯片[3]CAPZero，通過(guò)芯片控制在電源接通后阻止電流流過(guò)放電電阻，當(dāng)電源斷電后放電電阻自動(dòng)對(duì)電容器進(jìn)行放電，可限制放電回路功耗小于5 mW，但會(huì)增加產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

壓敏電阻用于抑制浪涌電壓和電流，在家電產(chǎn)品中廣泛使用，因電壓和電流成正相關(guān)，存在過(guò)度能源消耗的風(fēng)險(xiǎn)，壓敏電阻的標(biāo)稱(chēng)電壓指的是通過(guò)1 mA電流時(shí)電阻上的電壓，為了低功耗，一般需要壓敏電阻工作在0.1 mA以下，因此在直流電路中，壓敏電阻標(biāo)稱(chēng)電壓U1mA應(yīng)不小于兩倍的直流額定工作電壓，在交流電路中，標(biāo)稱(chēng)電壓U1 mA 應(yīng)不小于2.5倍的交流工作電壓的有效值。

2.2 開(kāi)關(guān)電源功耗設(shè)計(jì)分析

線性電源因其功耗高，無(wú)法滿足待機(jī)功耗要求，不能在智能家電中使用。目前用作智能家電產(chǎn)品常用電源都是單芯片式開(kāi)關(guān)電源，其典型工作原理圖如圖1所示，開(kāi)關(guān)電源低功耗設(shè)計(jì)相關(guān)論文很多，對(duì)空載功耗有顯著影響的有以下幾個(gè)方面。

2.2.1 整流電容的漏電流

表1 常見(jiàn)家用電器產(chǎn)品的待機(jī)功耗要求

表2 額定電壓220 V產(chǎn)品常用電容對(duì)應(yīng)的電阻極大值和功耗極小值

電解電容漏電流和工作電壓、容量成正比

Ileakage≈0.01·U·C，一個(gè)400 V50 uF的電容漏電流約為0.2 mA，考慮實(shí)際工作電壓為300 V，功耗約60 mW，減少漏電流的關(guān)鍵是選擇盡量小的電容值，或選擇漏電流更小的電解電容。

2.2.2 開(kāi)關(guān)電源芯片

開(kāi)關(guān)電源芯片是開(kāi)關(guān)電源的核心，其性能直接決定開(kāi)關(guān)電源低功耗性能，芯片的功耗如公式（3）所示

上式第一項(xiàng)表示開(kāi)關(guān)動(dòng)作引起的功率消耗，其中C表示負(fù)載等效電容，fosc表示時(shí)鐘開(kāi)關(guān)頻率，V表示電源電壓，第二項(xiàng)是短路電流Isc引起的功耗，一般電源不采用橋式電路，這項(xiàng)損耗可以忽略，第三項(xiàng)Ileakage是漏電流，取決于制造工藝。因此第一項(xiàng)損耗成為關(guān)鍵，對(duì)于家用電器中的輔助電源，改變C和V無(wú)法實(shí)現(xiàn)，可在空載時(shí)，適當(dāng)降低時(shí)鐘工作頻率fosc，智能型開(kāi)關(guān)電源芯片一般采用跳頻技術(shù)[4]或混合調(diào)制[5]方式，以降低空載損耗，同時(shí)保證電源的體積功率比。

2.2.3 變壓器設(shè)計(jì)

高頻變壓器是外圍電路中非常關(guān)鍵的一個(gè)元件，相關(guān)參數(shù)比較多[5]。為降低功耗，應(yīng)關(guān)注變壓器的雜散損耗和漏感以及鐵氧體的頻率特性，減少空載運(yùn)行的電流和損耗。

開(kāi)關(guān)電源的空載功耗是一個(gè)系統(tǒng)問(wèn)題，在設(shè)計(jì)時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和匹配非常重要，例如控制芯片和變壓器、電源功率的匹配，保證電源輕載時(shí)系統(tǒng)處于高效率狀體。保護(hù)電路設(shè)計(jì)應(yīng)按需求進(jìn)行適當(dāng)取舍，增加保護(hù)電路意味著增加功耗額外功耗。

2.3 微處理器的功耗設(shè)計(jì)分析

微處理器作為智能家電的核心功能芯片，降低待機(jī)功耗應(yīng)從以下兩個(gè)方面考慮。

首先是微處理器的選取，微處理器在整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中對(duì)功耗的影響不可忽視，選用不同的單片微處理器，功耗是不同的，差別較大，需選擇RISC指令集的處理器，根據(jù)產(chǎn)品功能選擇適當(dāng)?shù)奶幚砥魍庠O(shè)電路和合適的flash容量，實(shí)現(xiàn)單片化，減少擴(kuò)展芯片，例如集成AD采樣器、定時(shí)器、flash等等。選擇外設(shè)要適當(dāng)夠用原則，盡量減少外設(shè)電路和flash的閑置，降低芯片待機(jī)功耗。

圖1 典型的反激式開(kāi)關(guān)電源原理圖

其次系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮: 首先選擇適當(dāng)晶振頻率，根據(jù)電器產(chǎn)品功能，選擇最佳的工作頻率，使微處理器在滿足性能要求同時(shí)不增加額外功耗。其次降低微處理器的工作電壓，微處理器的工作電壓和功耗成正相關(guān)，在同主頻下，降低電壓將大大降低功耗[6]，最后軟件的低功耗設(shè)計(jì)，微處理器硬件功耗取決于軟件的指令，對(duì)于未使用的硬件應(yīng)及時(shí)關(guān)閉，例如在系統(tǒng)待機(jī)時(shí)，應(yīng)使得微處理器進(jìn)入IDLE（睡眠）和POWER-DOWN模式，對(duì)于有多晶振的微處理器，應(yīng)關(guān)閉外部高速晶振，切換到內(nèi)部晶振或低頻晶振，僅開(kāi)通用以喚醒系統(tǒng)的中斷電路，使其余的外設(shè)電路進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)以降低功耗，例如關(guān)閉AD采樣電路、定時(shí)器等與系統(tǒng)待機(jī)無(wú)關(guān)的外設(shè)。

2.4 外圍電路低功耗設(shè)計(jì)分析

外圍電路包括傳感器電路、執(zhí)行單元（包括變頻器、可控硅、繼電器和各類(lèi)閥門(mén)）、顯示單元（LCD、LED）和通訊電路（以太網(wǎng)、WiFi、ZigBee、紅外）。在待機(jī)狀態(tài)下，非必須的功能盡量關(guān)閉斷電，例如電器中的溫度傳感器電阻值為5 kΩ，待機(jī)時(shí)若測(cè)溫傳感器處于工作中功耗增加近5 mW，電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量關(guān)閉這些電路，通訊電路也應(yīng)盡量關(guān)閉，帶網(wǎng)絡(luò)模式的電器，網(wǎng)絡(luò)必須開(kāi)啟時(shí)，應(yīng)最大程度降低網(wǎng)絡(luò)的使用頻率，減少功耗，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)關(guān)注天線位置放置和雜散，降低不必要功率發(fā)射。

總之，電器產(chǎn)品待機(jī)的低功耗是設(shè)計(jì)出來(lái)，是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)珍惜每一個(gè)毫瓦消耗，通過(guò)硬件和軟件不停的調(diào)整和優(yōu)化逐步使得產(chǎn)品待機(jī)功耗降到最低。

3 待機(jī)功耗測(cè)量方法中的幾個(gè)問(wèn)題

IEC 62301-2011家用電器待機(jī)功耗測(cè)量方法，對(duì)待機(jī)功耗測(cè)試環(huán)境條件、儀器精度、電器狀態(tài)、測(cè)試方法和測(cè)量結(jié)果不確定度都做了詳細(xì)的規(guī)定。下面兩個(gè)問(wèn)題與測(cè)試結(jié)果息息相關(guān)。

3.1 電器工作狀態(tài)和測(cè)試模式

標(biāo)準(zhǔn)給出的低功率狀態(tài)包含了關(guān)機(jī)模式、待機(jī)模式和網(wǎng)絡(luò)模式。電器進(jìn)入關(guān)機(jī)模式后，接入電源的電路僅包含EMC電路和電源指示電路，功率消耗值穩(wěn)定一般可以用功率表直接測(cè)量或通過(guò)平均讀數(shù)法測(cè)量，待機(jī)模式和網(wǎng)絡(luò)模式的消耗功率是否穩(wěn)定取決于電器設(shè)備的功能和狀態(tài)，例如電池的充放電、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，產(chǎn)品的設(shè)置和定時(shí)器工作狀態(tài)等等，對(duì)于功率消耗是穩(wěn)定的電器可以通過(guò)平均讀數(shù)法（積分法），而對(duì)于功率消耗周期波動(dòng)或不穩(wěn)定的器具，可采用直接功率采樣法，采樣間隔要小于1 s，繪制待機(jī)功耗曲線。

3.2 待機(jī)功耗測(cè)量精度控制

測(cè)量待機(jī)功耗時(shí)，測(cè)試功率計(jì)應(yīng)能準(zhǔn)確測(cè)量小電流、低功率因素和畸變電流的功率消耗，如圖2所示。

為評(píng)價(jià)測(cè)試準(zhǔn)確性，標(biāo)準(zhǔn)引入了最大電流功率比（MCR），用以表示功率和電流畸變的關(guān)系，

標(biāo)準(zhǔn)給出了不同MCR條件下的準(zhǔn)確度的要求：

當(dāng)MCR≤10時(shí)，測(cè)量不確定度為Rdg×2 %或0.02 W（k=2），取大者。

當(dāng)MCR＞10時(shí)Up=0.02×{1+[0.08×(MCR-10)]}，測(cè)量不確定度為Rdg×Upc或0.02 W（k=2），取大者。

為使得測(cè)試結(jié)果可控，在進(jìn)行待機(jī)功耗測(cè)試時(shí)，應(yīng)用示波器確定電流波形的波峰因素CF，用功率計(jì)預(yù)測(cè)功率因素PF，通過(guò)MCR值計(jì)算出應(yīng)選擇的正確電流檔位，開(kāi)展功耗的精確測(cè)量。

下面以橫河WT1800功率分析儀為例進(jìn)行待機(jī)功耗測(cè)試過(guò)程，假設(shè)被測(cè)電器的CF=5，PF=0.1，待機(jī)功率為1 W，電器額定電壓為220 V。

允許測(cè)量不確定度：（K=2）U=1×0.02×{1+[0.08× (MCR-10)]}=0.084（W）

按照電流有效值，電流檔位應(yīng)大于45 mA，按照峰值選取量程，橫河WT1800儀器默認(rèn)波峰因素CF值為3，電流檔位應(yīng)大于76 mA，為保證測(cè)試準(zhǔn)確性防止采樣電路飽和，功耗測(cè)量電流量程取100 mA。按照100 mA電流量程對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行不確定度的評(píng)價(jià)，若滿足允許測(cè)量不確定度要求，測(cè)試有效，若不符合，重新選擇更高精度的儀表，重新測(cè)試。

4 結(jié)論

圖2 典型待機(jī)電壓電流波形

家電的1W待機(jī)已經(jīng)行業(yè)內(nèi)部的共識(shí)，待機(jī)能耗性能是評(píng)價(jià)電器一項(xiàng)重要指標(biāo)，也是進(jìn)入產(chǎn)品國(guó)際市場(chǎng)的通行證。本文分析產(chǎn)品中參與待機(jī)工作的各部分電路原理，提出剔除潛在多余功耗方法，列舉準(zhǔn)確測(cè)量待機(jī)功耗的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，根據(jù)本文的思想方法進(jìn)行設(shè)計(jì)產(chǎn)品，可在一定程度上降低待機(jī)功耗，并能對(duì)待機(jī)功耗進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。

[1] 曾延光.各國(guó)待機(jī)能效要求比對(duì)分析[J].Electronics Quality, 2011 (2): 57-58.

[2] 蔡永華,程麗玲,徐哲諄.基于MSP430微處理器的剩余電壓測(cè)量裝置的研制[J].電工技術(shù), 2008(11):62-65.

[3] 龐偉,宋德超.低功耗節(jié)能待機(jī)的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)[J].家電科技, 2011(7):92-93.

[4] 田錦明,王松林,來(lái)新泉,王留杰.AC/DC開(kāi)關(guān)電源脈寬調(diào)制芯片的低功耗設(shè)計(jì)[J] .電子科技, 2006(6):7-10.

[5] 劉子超.基于TOP-Switch的PWM開(kāi)關(guān)電源的研究與設(shè)計(jì)[J].華中科技大學(xué)碩士論文, 2012.05.

[6] 黃石紅,陳勇.高偉基于單片微處理器的應(yīng)用系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī), 2001, 14(12):62-63.

蔡永華，男，1978，高級(jí)工程師；長(zhǎng)期從事電器產(chǎn)品安全、能效EMC測(cè)試和認(rèn)證的研究。

Research on Low Standby Power of Smart Appliances

CAI Yong-hua, XU Zhe-zhun, WANG Yang
(Technic Center of Zhejiang Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Hangzhou 311215)

This paper analyzes the circuit principles of each part of electrical product participating in the standby operation from the perspective of standby working state of smart appliances.It puts forward the design idea and calculation method for decreasing the potential power consumption.The standby power consumption is should be controlled in the design and development stage of household appliances.In the meanwhile, the key points of accurate measurement for standby power consumption are interpreted so as to control the test uncertainty of low power consumption.It helps to promote the design for low standby power consumption and the measurement standardization.

smart appliances; low power consumption; power consumption design; standby power consumption measurement; product standardization

TM925

A

1004-7204（2016）05-0114-05