智能家電的低待機功耗研究

蔡永華，徐哲諄，汪 洋

（ 浙江出入境檢驗檢疫局檢驗檢疫技術中心，杭州 311215）

智能家電的低待機功耗研究

蔡永華，徐哲諄，汪 洋

（ 浙江出入境檢驗檢疫局檢驗檢疫技術中心，杭州 311215）

從智能家電待機工作狀態入手，分析電器產品中參與待機工作的各部分電路原理，提出降低潛在功耗設計思路和計算方法，從家電設計研發階段對待機功耗進行控制，同時對待機功耗精確測量方法關鍵點進行解讀以控制低功耗測試不確定度，有助于低待機功耗設計和測量的標準化和規范化。

智能家電；低功耗；功耗設計；待機功耗測量；產品標準化

引言

隨著互聯網+家電的深入推廣，目前城市家庭的家電產品逐步從傳統家電向新式智能家電推進，新的熱點給家電研發、生產和銷售注入了新的活力。智能家電與傳統家電相比，給消費者帶來了便捷、舒適和以人為本的產品服務體驗，智能家電的功能實現依賴于微處理器、傳感器、通訊網絡和智能控制的協調工作，當家電產品處于非積極工作模式時，將進入待機狀態，以節省能源的消耗，由于電器產品處于待機狀態時間遠長于積極工作模式，待機功耗是目前家庭能源消耗的重要組成部分，國際經合組織的一項調查稱，各國因待機而消耗的能量占總耗能的3 %~13 %之間，我國的待機能耗高于國際平均水平。據不完全統計我國普通家庭的總待機功率約在30 W左右，隨著智能家電進入更多家庭，這個功率值還將進一步上升。降低新上市產品的待機功率，是降低家庭待機功率的最有效方法。本文從智能家電待機工作狀態入手，分析電器產品中參與待機工作的各部分電路原理，提出降低潛在功耗設計思路和計算方法，從家電設計研發階段對待機功耗進行控制，同時對待機功耗精確測量方法關鍵點進行解讀以控制低功耗測試不確定度，有助于低待機功耗設計和測量的標準化和規范化。

1 我國及各主要國家電器待機功耗要求

我國電器產品的待機功耗沒有單獨給出限定值，對于常見家用電器都結合在產品能效標準中給出，表1給出常見家用電器產品的待機功耗要求。空調、冰箱和洗衣機都結合在整體能效中考核，沒有待機功耗單獨要求數據。

國外主要國家對入境產品的待機功耗都有嚴格的要求[1]，大部分國家遵從國際“1 W”倡議，但歐盟、加拿大要求入境家用電器和消費類產品的待機功耗不大于0.5 W，對于帶網絡模式的可放寬至不大于1 W，澳大利亞和新西蘭要求，關機功耗不大于0.3 W，待機功耗不大于1 W，這些國家和地區的對待機功耗都提出比1 W更高要求。

2 智能家電待機功耗分析及對策

降低家用電器待機功耗沒有統一的方法，究其原因是由于各個智能系統都有其獨特的電子線路和電路特性，降低待機功耗須從參與待機各部分電路入手，分析其工作原理和特性，對每一部分電路能源消耗進行控制。從功率流向的通路上考慮，造成能源消耗環節，有以下四個方面：EMC濾波電路和吸收電路、開關電源電路、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計分析

EMC的濾波電路由電感和電容組成，本身不產生功耗，但家電安規標準GB 4706.1-2005《家用和類似用途電器安全 第1部分：通用要求》 22.5條規定，插頭在電壓峰值斷開后1 s，插腳間電壓不應超過34 V。為滿足安規要求，使用干擾抑制電容時，需配置放電電阻。放電電阻并聯電源兩端將產生額外的功耗，經推導分析[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電器產品對應常用電容對應的電阻極大值和功耗極小值。

其中U為電器產品額定電壓，C為電容值。

表2給出了功耗極小理論值，但實際設計時考慮安全余量，功耗會比理論值要大一些。

解決放電電阻功耗可采用專用芯片[3]CAPZero，通過芯片控制在電源接通后阻止電流流過放電電阻，當電源斷電后放電電阻自動對電容器進行放電，可限制放電回路功耗小于5 mW，但會增加產品的生產成本。

壓敏電阻用于抑制浪涌電壓和電流，在家電產品中廣泛使用，因電壓和電流成正相關，存在過度能源消耗的風險，壓敏電阻的標稱電壓指的是通過1 mA電流時電阻上的電壓，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，壓敏電阻標稱電壓U1mA應不小于兩倍的直流額定工作電壓，在交流電路中，標稱電壓U1 mA 應不小于2.5倍的交流工作電壓的有效值。

2.2 開關電源功耗設計分析

線性電源因其功耗高，無法滿足待機功耗要求，不能在智能家電中使用。目前用作智能家電產品常用電源都是單芯片式開關電源，其典型工作原理圖如圖1所示，開關電源低功耗設計相關論文很多，對空載功耗有顯著影響的有以下幾個方面。

2.2.1 整流電容的漏電流

表1 常見家用電器產品的待機功耗要求

表2 額定電壓220 V產品常用電容對應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400 V50 uF的電容漏電流約為0.2 mA，考慮實際工作電壓為300 V，功耗約60 mW，減少漏電流的關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 開關電源芯片

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

上式第一項表示開關動作引起的功率消耗，其中C表示負載等效電容，fosc表示時鐘開關頻率，V表示電源電壓，第二項是短路電流Isc引起的功耗，一般電源不采用橋式電路，這項損耗可以忽略，第三項Ileakage是漏電流，取決于制造工藝。因此第一項損耗成為關鍵，對于家用電器中的輔助電源，改變C和V無法實現，可在空載時，適當降低時鐘工作頻率fosc，智能型開關電源芯片一般采用跳頻技術[4]或混合調制[5]方式，以降低空載損耗，同時保證電源的體積功率比。

2.2.3 變壓器設計

高頻變壓器是外圍電路中非常關鍵的一個元件，相關參數比較多[5]。為降低功耗，應關注變壓器的雜散損耗和漏感以及鐵氧體的頻率特性，減少空載運行的電流和損耗。

開關電源的空載功耗是一個系統問題，在設計時整個系統的協調和匹配非常重要，例如控制芯片和變壓器、電源功率的匹配，保證電源輕載時系統處于高效率狀體。保護電路設計應按需求進行適當取舍，增加保護電路意味著增加功耗額外功耗。

2.3 微處理器的功耗設計分析

微處理器作為智能家電的核心功能芯片，降低待機功耗應從以下兩個方面考慮。

首先是微處理器的選取，微處理器在整個應用系統中對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，根據產品功能選擇適當的處理器外設電路和合適的flash容量，實現單片化，減少擴展芯片，例如集成AD采樣器、定時器、flash等等。選擇外設要適當夠用原則，盡量減少外設電路和flash的閑置，降低芯片待機功耗。

圖1 典型的反激式開關電源原理圖

其次系統設計考慮: 首先選擇適當晶振頻率，根據電器產品功能，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，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計，微處理器硬件功耗取決于軟件的指令，對于未使用的硬件應及時關閉，例如在系統待機時，應使得微處理器進入IDLE（睡眠）和POWER-DOWN模式，對于有多晶振的微處理器，應關閉外部高速晶振，切換到內部晶振或低頻晶振，僅開通用以喚醒系統的中斷電路，使其余的外設電路進入關閉狀態以降低功耗，例如關閉AD采樣電路、定時器等與系統待機無關的外設。

2.4 外圍電路低功耗設計分析

外圍電路包括傳感器電路、執行單元（包括變頻器、可控硅、繼電器和各類閥門）、顯示單元（LCD、LED）和通訊電路（以太網、WiFi、ZigBee、紅外）。在待機狀態下，非必須的功能盡量關閉斷電，例如電器中的溫度傳感器電阻值為5 kΩ，待機時若測溫傳感器處于工作中功耗增加近5 mW，電路設計時應盡量關閉這些電路，通訊電路也應盡量關閉，帶網絡模式的電器，網絡必須開啟時，應最大程度降低網絡的使用頻率，減少功耗，無線網絡應關注天線位置放置和雜散，降低不必要功率發射。

總之，電器產品待機的低功耗是設計出來，是一項系統工程，設計時應珍惜每一個毫瓦消耗，通過硬件和軟件不停的調整和優化逐步使得產品待機功耗降到最低。

3 待機功耗測量方法中的幾個問題

IEC 62301-2011家用電器待機功耗測量方法，對待機功耗測試環境條件、儀器精度、電器狀態、測試方法和測量結果不確定度都做了詳細的規定。下面兩個問題與測試結果息息相關。

3.1 電器工作狀態和測試模式

標準給出的低功率狀態包含了關機模式、待機模式和網絡模式。電器進入關機模式后，接入電源的電路僅包含EMC電路和電源指示電路，功率消耗值穩定一般可以用功率表直接測量或通過平均讀數法測量，待機模式和網絡模式的消耗功率是否穩定取決于電器設備的功能和狀態，例如電池的充放電、無線網絡信號，產品的設置和定時器工作狀態等等，對于功率消耗是穩定的電器可以通過平均讀數法（積分法），而對于功率消耗周期波動或不穩定的器具，可采用直接功率采樣法，采樣間隔要小于1 s，繪制待機功耗曲線。

3.2 待機功耗測量精度控制

測量待機功耗時，測試功率計應能準確測量小電流、低功率因素和畸變電流的功率消耗，如圖2所示。

為評價測試準確性，標準引入了最大電流功率比（MCR），用以表示功率和電流畸變的關系，

標準給出了不同MCR條件下的準確度的要求：

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

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

為使得測試結果可控，在進行待機功耗測試時，應用示波器確定電流波形的波峰因素CF，用功率計預測功率因素PF，通過MCR值計算出應選擇的正確電流檔位，開展功耗的精確測量。

下面以橫河WT1800功率分析儀為例進行待機功耗測試過程，假設被測電器的CF=5，PF=0.1，待機功率為1 W，電器額定電壓為220 V。

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

按照電流有效值，電流檔位應大于45 mA，按照峰值選取量程，橫河WT1800儀器默認波峰因素CF值為3，電流檔位應大于76 mA，為保證測試準確性防止采樣電路飽和，功耗測量電流量程取100 mA。按照100 mA電流量程對測試結果進行不確定度的評價，若滿足允許測量不確定度要求，測試有效，若不符合，重新選擇更高精度的儀表，重新測試。

4 結論

圖2 典型待機電壓電流波形

家電的1W待機已經行業內部的共識，待機能耗性能是評價電器一項重要指標，也是進入產品國際市場的通行證。本文分析產品中參與待機工作的各部分電路原理，提出剔除潛在多余功耗方法，列舉準確測量待機功耗的幾個關鍵點，根據本文的思想方法進行設計產品，可在一定程度上降低待機功耗，并能對待機功耗進行準確的測量。

[1] 曾延光.各國待機能效要求比對分析[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量裝置的研制[J].電工技術, 2008(11):62-65.

[3] 龐偉,宋德超.低功耗節能待機的開關電源設計[J].家電科技, 2011(7):92-93.

[4] 田錦明,王松林,來新泉,王留杰.AC/DC開關電源脈寬調制芯片的低功耗設計[J] .電子科技, 2006(6):7-10.

[5] 劉子超.基于TOP-Switch的PWM開關電源的研究與設計[J].華中科技大學碩士論文, 2012.05.

[6] 黃石紅,陳勇.高偉基于單片微處理器的應用系統的低功耗設計技術[J].工業控制計算機, 2001, 14(12):62-63.

蔡永華，男，1978，高級工程師；長期從事電器產品安全、能效EMC測試和認證的研究。

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