智能家电的低待机功耗研究

蔡永华，徐哲谆，汪 洋

（ 浙江出入境检验检疫局检验检疫技术中心，杭州 311215）

智能家电的低待机功耗研究

蔡永华，徐哲谆，汪 洋

（ 浙江出入境检验检疫局检验检疫技术中心，杭州 311215）

从智能家电待机工作状态入手，分析电器产品中参与待机工作的各部分电路原理，提出降低潜在功耗设计思路和计算方法，从家电设计研发阶段对待机功耗进行控制，同时对待机功耗精确测量方法关键点进行解读以控制低功耗测试不确定度，有助于低待机功耗设计和测量的标准化和规范化。

智能家电；低功耗；功耗设计；待机功耗测量；产品标准化

引言

随着互联网+家电的深入推广，目前城市家庭的家电产品逐步从传统家电向新式智能家电推进，新的热点给家电研发、生产和销售注入了新的活力。智能家电与传统家电相比，给消费者带来了便捷、舒适和以人为本的产品服务体验，智能家电的功能实现依赖于微处理器、传感器、通讯网络和智能控制的协调工作，当家电产品处于非积极工作模式时，将进入待机状态，以节省能源的消耗，由于电器产品处于待机状态时间远长于积极工作模式，待机功耗是目前家庭能源消耗的重要组成部分，国际经合组织的一项调查称，各国因待机而消耗的能量占总耗能的3 %~13 %之间，我国的待机能耗高于国际平均水平。据不完全统计我国普通家庭的总待机功率约在30 W左右，随着智能家电进入更多家庭，这个功率值还将进一步上升。降低新上市产品的待机功率，是降低家庭待机功率的最有效方法。本文从智能家电待机工作状态入手，分析电器产品中参与待机工作的各部分电路原理，提出降低潜在功耗设计思路和计算方法，从家电设计研发阶段对待机功耗进行控制，同时对待机功耗精确测量方法关键点进行解读以控制低功耗测试不确定度，有助于低待机功耗设计和测量的标准化和规范化。

1 我国及各主要国家电器待机功耗要求

我国电器产品的待机功耗没有单独给出限定值，对于常见家用电器都结合在产品能效标准中给出，表1给出常见家用电器产品的待机功耗要求。空调、冰箱和洗衣机都结合在整体能效中考核，没有待机功耗单独要求数据。

国外主要国家对入境产品的待机功耗都有严格的要求[1]，大部分国家遵从国际“1 W”倡议，但欧盟、加拿大要求入境家用电器和消费类产品的待机功耗不大于0.5 W，对于带网络模式的可放宽至不大于1 W，澳大利亚和新西兰要求，关机功耗不大于0.3 W，待机功耗不大于1 W，这些国家和地区的对待机功耗都提出比1 W更高要求。

2 智能家电待机功耗分析及对策

降低家用电器待机功耗没有统一的方法，究其原因是由于各个智能系统都有其独特的电子线路和电路特性，降低待机功耗须从参与待机各部分电路入手，分析其工作原理和特性，对每一部分电路能源消耗进行控制。从功率流向的通路上考虑，造成能源消耗环节，有以下四个方面：EMC滤波电路和吸收电路、开关电源电路、微处理器电路和外围控制电路。

2.1 EMC滤波电路和吸收电路功耗设计分析

EMC的滤波电路由电感和电容组成，本身不产生功耗，但家电安规标准GB 4706.1-2005《家用和类似用途电器安全 第1部分：通用要求》 22.5条规定，插头在电压峰值断开后1 s，插脚间电压不应超过34 V。为满足安规要求，使用干扰抑制电容时，需配置放电电阻。放电电阻并联电源两端将产生额外的功耗，经推导分析[2]，公式（1）为放电电阻极大值算式和公式（2）为功耗极小值算式，表2给出了额定电压220 V电器产品对应常用电容对应的电阻极大值和功耗极小值。

其中U为电器产品额定电压，C为电容值。

表2给出了功耗极小理论值，但实际设计时考虑安全余量，功耗会比理论值要大一些。

解决放电电阻功耗可采用专用芯片[3]CAPZero，通过芯片控制在电源接通后阻止电流流过放电电阻，当电源断电后放电电阻自动对电容器进行放电，可限制放电回路功耗小于5 mW，但会增加产品的生产成本。

压敏电阻用于抑制浪涌电压和电流，在家电产品中广泛使用，因电压和电流成正相关，存在过度能源消耗的风险，压敏电阻的标称电压指的是通过1 mA电流时电阻上的电压，为了低功耗，一般需要压敏电阻工作在0.1 mA以下，因此在直流电路中，压敏电阻标称电压U1mA应不小于两倍的直流额定工作电压，在交流电路中，标称电压U1 mA 应不小于2.5倍的交流工作电压的有效值。

2.2 开关电源功耗设计分析

线性电源因其功耗高，无法满足待机功耗要求，不能在智能家电中使用。目前用作智能家电产品常用电源都是单芯片式开关电源，其典型工作原理图如图1所示，开关电源低功耗设计相关论文很多，对空载功耗有显著影响的有以下几个方面。

2.2.1 整流电容的漏电流

表1 常见家用电器产品的待机功耗要求

表2 额定电压220 V产品常用电容对应的电阻极大值和功耗极小值

电解电容漏电流和工作电压、容量成正比

Ileakage≈0.01·U·C，一个400 V50 uF的电容漏电流约为0.2 mA，考虑实际工作电压为300 V，功耗约60 mW，减少漏电流的关键是选择尽量小的电容值，或选择漏电流更小的电解电容。

2.2.2 开关电源芯片

开关电源芯片是开关电源的核心，其性能直接决定开关电源低功耗性能，芯片的功耗如公式（3）所示

上式第一项表示开关动作引起的功率消耗，其中C表示负载等效电容，fosc表示时钟开关频率，V表示电源电压，第二项是短路电流Isc引起的功耗，一般电源不采用桥式电路，这项损耗可以忽略，第三项Ileakage是漏电流，取决于制造工艺。因此第一项损耗成为关键，对于家用电器中的辅助电源，改变C和V无法实现，可在空载时，适当降低时钟工作频率fosc，智能型开关电源芯片一般采用跳频技术[4]或混合调制[5]方式，以降低空载损耗，同时保证电源的体积功率比。

2.2.3 变压器设计

高频变压器是外围电路中非常关键的一个元件，相关参数比较多[5]。为降低功耗，应关注变压器的杂散损耗和漏感以及铁氧体的频率特性，减少空载运行的电流和损耗。

开关电源的空载功耗是一个系统问题，在设计时整个系统的协调和匹配非常重要，例如控制芯片和变压器、电源功率的匹配，保证电源轻载时系统处于高效率状体。保护电路设计应按需求进行适当取舍，增加保护电路意味着增加功耗额外功耗。

2.3 微处理器的功耗设计分析

微处理器作为智能家电的核心功能芯片，降低待机功耗应从以下两个方面考虑。

首先是微处理器的选取，微处理器在整个应用系统中对功耗的影响不可忽视，选用不同的单片微处理器，功耗是不同的，差别较大，需选择RISC指令集的处理器，根据产品功能选择适当的处理器外设电路和合适的flash容量，实现单片化，减少扩展芯片，例如集成AD采样器、定时器、flash等等。选择外设要适当够用原则，尽量减少外设电路和flash的闲置，降低芯片待机功耗。

图1 典型的反激式开关电源原理图

其次系统设计考虑: 首先选择适当晶振频率，根据电器产品功能，选择最佳的工作频率，使微处理器在满足性能要求同时不增加额外功耗。其次降低微处理器的工作电压，微处理器的工作电压和功耗成正相关，在同主频下，降低电压将大大降低功耗[6]，最后软件的低功耗设计，微处理器硬件功耗取决于软件的指令，对于未使用的硬件应及时关闭，例如在系统待机时，应使得微处理器进入IDLE（睡眠）和POWER-DOWN模式，对于有多晶振的微处理器，应关闭外部高速晶振，切换到内部晶振或低频晶振，仅开通用以唤醒系统的中断电路，使其余的外设电路进入关闭状态以降低功耗，例如关闭AD采样电路、定时器等与系统待机无关的外设。

2.4 外围电路低功耗设计分析

外围电路包括传感器电路、执行单元（包括变频器、可控硅、继电器和各类阀门）、显示单元（LCD、LED）和通讯电路（以太网、WiFi、ZigBee、红外）。在待机状态下，非必须的功能尽量关闭断电，例如电器中的温度传感器电阻值为5 kΩ，待机时若测温传感器处于工作中功耗增加近5 mW，电路设计时应尽量关闭这些电路，通讯电路也应尽量关闭，带网络模式的电器，网络必须开启时，应最大程度降低网络的使用频率，减少功耗，无线网络应关注天线位置放置和杂散，降低不必要功率发射。

总之，电器产品待机的低功耗是设计出来，是一项系统工程，设计时应珍惜每一个毫瓦消耗，通过硬件和软件不停的调整和优化逐步使得产品待机功耗降到最低。

3 待机功耗测量方法中的几个问题

IEC 62301-2011家用电器待机功耗测量方法，对待机功耗测试环境条件、仪器精度、电器状态、测试方法和测量结果不确定度都做了详细的规定。下面两个问题与测试结果息息相关。

3.1 电器工作状态和测试模式

标准给出的低功率状态包含了关机模式、待机模式和网络模式。电器进入关机模式后，接入电源的电路仅包含EMC电路和电源指示电路，功率消耗值稳定一般可以用功率表直接测量或通过平均读数法测量，待机模式和网络模式的消耗功率是否稳定取决于电器设备的功能和状态，例如电池的充放电、无线网络信号，产品的设置和定时器工作状态等等，对于功率消耗是稳定的电器可以通过平均读数法（积分法），而对于功率消耗周期波动或不稳定的器具，可采用直接功率采样法，采样间隔要小于1 s，绘制待机功耗曲线。

3.2 待机功耗测量精度控制

测量待机功耗时，测试功率计应能准确测量小电流、低功率因素和畸变电流的功率消耗，如图2所示。

为评价测试准确性，标准引入了最大电流功率比（MCR），用以表示功率和电流畸变的关系，

标准给出了不同MCR条件下的准确度的要求：

当MCR≤10时，测量不确定度为Rdg×2 %或0.02 W（k=2），取大者。

当MCR＞10时Up=0.02×{1+[0.08×(MCR-10)]}，测量不确定度为Rdg×Upc或0.02 W（k=2），取大者。

为使得测试结果可控，在进行待机功耗测试时，应用示波器确定电流波形的波峰因素CF，用功率计预测功率因素PF，通过MCR值计算出应选择的正确电流档位，开展功耗的精确测量。

下面以横河WT1800功率分析仪为例进行待机功耗测试过程，假设被测电器的CF=5，PF=0.1，待机功率为1 W，电器额定电压为220 V。

允许测量不确定度：（K=2）U=1×0.02×{1+[0.08× (MCR-10)]}=0.084（W）

按照电流有效值，电流档位应大于45 mA，按照峰值选取量程，横河WT1800仪器默认波峰因素CF值为3，电流档位应大于76 mA，为保证测试准确性防止采样电路饱和，功耗测量电流量程取100 mA。按照100 mA电流量程对测试结果进行不确定度的评价，若满足允许测量不确定度要求，测试有效，若不符合，重新选择更高精度的仪表，重新测试。

4 结论

图2 典型待机电压电流波形

家电的1W待机已经行业内部的共识，待机能耗性能是评价电器一项重要指标，也是进入产品国际市场的通行证。本文分析产品中参与待机工作的各部分电路原理，提出剔除潜在多余功耗方法，列举准确测量待机功耗的几个关键点，根据本文的思想方法进行设计产品，可在一定程度上降低待机功耗，并能对待机功耗进行准确的测量。

[1] 曾延光.各国待机能效要求比对分析[J].Electronics Quality, 2011 (2): 57-58.

[2] 蔡永华,程丽玲,徐哲谆.基于MSP430微处理器的剩余电压测量装置的研制[J].电工技术, 2008(11):62-65.

[3] 庞伟,宋德超.低功耗节能待机的开关电源设计[J].家电科技, 2011(7):92-93.

[4] 田锦明,王松林,来新泉,王留杰.AC/DC开关电源脉宽调制芯片的低功耗设计[J] .电子科技, 2006(6):7-10.

[5] 刘子超.基于TOP-Switch的PWM开关电源的研究与设计[J].华中科技大学硕士论文, 2012.05.

[6] 黄石红,陈勇.高伟基于单片微处理器的应用系统的低功耗设计技术[J].工业控制计算机, 2001, 14(12):62-63.

蔡永华，男，1978，高级工程师；长期从事电器产品安全、能效EMC测试和认证的研究。

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