智能坐便器超低待機功耗漏電保護插頭電路設計*

甘建藝

(廈門優勝衛廚科技有限公司 福建 廈門 361000)

前言

在能源愈發緊張、全球溫室效應導致一系列自然災害以及環保節能的意識越來越強的情況下，電器待機低功耗也成為了大家重視的話題。待機能耗是日用家電產品在待機功能狀態下的電能消耗。中國節能認證中心在調查后發現我國城市家庭的平均待機能耗相當于這些家庭每天都在使用一盞15～30 W的長明燈，待機能耗就像吸血蟲一樣吸食著電費和能源，同時也制造著巨大的環保壓力[2]。據統計，電流在待機電器中消耗的電力累計平均每年每個家庭要浪費100度電。歐洲ERP指令(按IEC62301)，更是對待機能耗提出了標準要求，不超過0.5 W。我國節能認證中心也著重強調了待機能耗問題，逐漸的提升標準要求并出臺相關待機測試標準GB/T 35758。隨著智能坐便器的普及，智能坐便器的待機功耗也將使家庭的待機能耗增加。但是目前，中國建筑材料協會標準T/CBMF 15-2019、T/CBCSA 15-2019中關于智能坐便器待機功耗要求為不大于2.0 W[3]。智能坐便器的待機功耗標準遠高于其他普通家用電器，兩者最大的區別就是在于，智能坐便器中增加了漏電保護插頭。而智能坐便器與漏電保護插頭是兩個不同廠家，待機功耗是典型的(1.0 W+1.0 W)，漏電保護插頭本身的待機功耗已經在1.0 W。筆者重在研究設計新的漏電保護插頭電路，使漏電保護插頭能有超低待機功耗，助力智能坐便器的整機待機功耗能達到國家、歐美等對電器的待機能耗要求，對未來提升我國智能坐便器能效標準、倡導綠色環保、促進消費升級都有著非常重要的意義。

1 漏電保護插頭電路原理

隨著智能坐便器的普及，漏電保護插頭將被廣泛應用。漏電保護器，主要是用來在電器發生漏電故障時，以及對有致命危險的人身觸電保護。智能坐便器通水通市電，并且在衛生間的潮濕甚至有水淋的環境下使用，決定了必然需要增加漏電保護插頭，以保證人身安全。

漏電保護插頭，用于檢測火線和零線上的漏電信號，當有人觸電或智能坐便器漏電時，l漏電保護插頭通過檢測和處理剩余電流可靠地動作，切斷電源[4]。電路原理圖以市面上漏電保護插頭工作芯片方案使用用量最大的復旦微VG54123芯片為例：

如圖1，當有漏電信號產生時，零電流互感器(ZCT)檢測到電信號，其次級線圈輸出電流，作為漏電保護器芯片的輸入。當漏電流的RMS值大于漏電保護器規定的額定電流時，VG54123芯片兩個引腳Vr、In之間比較，VG54123芯片輸出OS引腳產生動作電平，該電平脈寬持續30ms左右。可控硅SCR導通，脫扣機構COIL脫扣，開關SW1彈開，L/N斷開，漏電保護插頭切斷市電電源。

圖1 傳統漏電保護插頭電路原理圖

2 漏電保護插頭待機功耗計算

功耗的計算公式為：W=Pt

在待機的情況下，也就是時間是相同的，持續的。所以我們只需要計算漏電保護插頭電路的平均功率(按市電AC220V)。

電功率計算公式：P =UI，根據歐姆定律U=IR代入P=UI中還可以得到：P=I×IR=(U×U)/R

由圖一可知，當未發生漏電、觸電，即漏電保護芯片VG54123處于待機狀態。此時整個漏電保護的主要功耗可以分為四部分：

P1：AC整流成電壓311 V降壓到12 V(VG54123芯片工作電壓)，299 V電壓在限流電阻R1、R2、R3上的功耗

P2：VG54123芯片待機功耗

P3：漏電保護插頭指示LED燈功耗

P4：LED上限流電阻R8、R9、R10上的功耗

根據上面的公式，可以計算得出：

P1=(U×U)/R=(299 V×299 V)/(47 K+47 K+10 k)=0.859 W

P2為漏保芯片VG54123待機功耗，查規格書，如下表1，可得P=UI=12 V×580 μA=0.007 W

表1 漏保芯片VG54123待機耗電電流

P3為紅色LED燈功耗，P=UI=2.0 V×0.5 mA=0.001 W

P4=I×IR=0.5 mA×0.5 mA×(180 K+180 K+180 K)=0.135 W

總功率為：P=P1+P2+P3+P4=0.859 W+0.007 W+0.001 W+0.135 W=1.0 W

所以，總功耗在1.0 W，而再加上L/N線上的損耗，市面上智能坐便器的整機功耗只會大于1.0 W。這也就是中國建筑建材協會標準把智能坐便器待機能耗定為，不大于2.0 W。但這個值遠大于家電待機標準。

3 超低待機漏電保護插頭功耗計算

通過上面對漏電保護插頭功耗的分析，我們可以發現，其實最大的待機功耗是P1(0.859 W)、P4(0.135 W)，都是在限流電阻上的損耗。而限流電阻其實不是漏電保護拓撲的必要元件，是因為高電壓轉低電壓，需要電阻分壓限流。如果該電路能有一個低電壓的供電，那么就可以減少這些不必要的損耗。

那么，我們就設計一個電路滿足漏電保護芯片及LED燈供電電壓，即高壓轉低壓的電路。原理圖如下：

同上可知，計算功耗，我們只需要計算圖2電路的平均功率(按市電AC220V)。

圖2 超低功耗漏電保護插頭電路原理圖

P1：為IC2降壓芯片BP2522B的待機功耗，查芯片BP2522B的規格書，可知待機功耗為0.02 W

P2：為降壓芯片BP2522B的輸出效率反算值(輸出給P3/P4/P5功耗的效率)，按照降壓芯片BP2522B的最低轉換效率50%計算，

P3：同上可知，漏電IC1保護芯片VG54123待機功耗0.007 W

P4：同上可知，漏電保護插頭指示LED1燈功耗0.001 W

P5：LED上限流電阻R5上的功耗P5=I×IR=0.5 mA×0.5 mA×24 K=0.006 W

按照50%效率計算P2=(P3+P4+P4)/0.5=(0.007 W+0.001 W+0.006 W)/0.5=0.03 W

超低待機漏保插頭的總功耗為：

P=P1+P2=0.02 W+0.03 W=0.05 W

新設計的漏電保護插頭的功耗為0.05 W，功耗只有市面上漏電保護插頭功耗的1/10。超低的漏電保護插頭的功耗，加上智能坐便器的待機功耗，總功耗做到了不超過0.5 W的普通家電待機能耗標準要求。

4 兩種漏電保護插頭待機能耗測試

兩種漏電保護插頭，按GB/T 35758中待機模式要求進行試驗，在不同輸入電壓下測試的待機能耗如表2所示。

表2 不同輸入電壓下兩種漏電保護插頭的待機功耗

樣品測試結果與理論值非常接近，圖2的漏電保護插頭原理，待機功耗完全可以做到零功耗。

以下圖3，圖4分別為兩種漏電保護插頭PCBA。

圖3 傳統漏電保護插頭

圖4 超低待機功耗漏電保護插頭

5 總結

智能坐便器將會像彩電，冰箱等家電普及到千家萬戶。而帶有漏電保護插頭的智能坐便器待機功耗，也將是衛浴行業所要面臨的一個新挑戰。筆者通過對現有智能坐便器待機功耗的分析研究，對漏電保護插頭待機功耗的分析研究，突破制約智能坐便器待機功耗的問題，重新設計新的漏電保護電路，助力開發出符合當前國內外家電待機功耗標準的帶漏電保護插頭的智能坐便器, 為推動智能坐便器家電化，減少能源浪費和可持續發展提供保障。