余成林 ，易茂祥 ，陶 金 ，方祥圣

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥230009；2.安徽經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院 信息科學(xué)系，安徽 合肥230001)

目前，從220 V市電直接獲得小容量低壓電源的方法主要包括：利用電阻和穩(wěn)壓二極管組成簡易穩(wěn)壓電源；使用小容量變壓器降壓[1-3]；通過小型開關(guān)變換器[4-7]和使用高壓電容和穩(wěn)壓二極管組成電容降壓型穩(wěn)壓電源[8-10]。其中，普通線性穩(wěn)壓電源效率比較低，電源的變壓器體積大、重量大、成本較高，且開關(guān)電源結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電源紋波較大，成本高。電容降壓型直流電源具有無隔離、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類小功率電子設(shè)備，特別是要求無隔離電源的特殊電子設(shè)備中。

然而，當(dāng)傳統(tǒng)電容降壓型直流電源的負(fù)載減小甚至是開路時(shí)，電源的熱耗功率會(huì)急劇增加，這不僅需要采用額外的散熱措施以保證電路的安全，而且還會(huì)導(dǎo)致電源效率嚴(yán)重下降及電能的浪費(fèi)。這一問題近年來一直沒有得到解決，本文對(duì)傳統(tǒng)電容降壓直流電源電路進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在保持了電容降壓型直流電源結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、成本低特點(diǎn)的同時(shí)，電路能根據(jù)負(fù)載的變化動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)市電電能輸入，使電源表現(xiàn)出很低的熱耗功率，且?guī)缀醪皇茇?fù)載變化的影響。

1 電容降壓原理

電容降壓型直流電源的降壓原理如圖1所示，利用電容在一定頻率的交流信號(hào)下產(chǎn)生的容抗來限制電路的最大工作電流，電容容抗的計(jì)算公式為：

其中，f為交流信號(hào)的頻率，C為電容值的大小。以我國市電為例，其頻率為 50 Hz，電壓有效值為 220 V，如果將其加在電容上，1 μF的電容所產(chǎn)生的阻抗約為3 185 Ω，則流過電容的電流為69 mA。

圖1 電容降壓電路基本原理

如果將一個(gè)阻值為 R(R=200 Ω，R＜＜XC)的負(fù)載與電容串聯(lián)，則這個(gè)負(fù)載上的實(shí)際電壓為：

可見，電容降壓就是將電容與負(fù)載串聯(lián)后接入市電，電容會(huì)起到分壓的作用，從而降低了負(fù)載上所承受的電壓，類似于電阻的串聯(lián)分壓，所不同的是電容上的電壓和電流的相位角相差90°，故不會(huì)產(chǎn)生任何功耗。

傳統(tǒng)電容降壓直流電源電路如圖2所示，采用的是半波整流方式，其中C1為降壓電容，根據(jù)負(fù)載所需電流的大小選取其值。在半波整流方式中，1 μF的電容可以提供34.5 mA的電流，所以C1需要滿足：

圖2 傳統(tǒng)電容降壓式半波整流直流電源

C1最高耐壓值一般要求大于400 V，并采用金屬膜電容。另外，根據(jù)：

電路上電時(shí)，C1端的電壓突變產(chǎn)生很大的瞬態(tài)電流，會(huì)降低電路其他器件的使用壽命，甚至損壞。R1的作用正是限制這種瞬態(tài)大電流。R2為泄放電阻，用于在電路斷電之后及時(shí)泄放掉電容C1上電荷，提高電源安全性。D1和D2為整流二極管，D3為穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)壓值取決于電源輸出電壓要求，并注意其最大功率的選取，因?yàn)楫?dāng)負(fù)載開路時(shí)，所有的電流都會(huì)流經(jīng)D3。C2為濾波電容(或儲(chǔ)能電容)，可根據(jù)輸出紋波要求選擇適當(dāng)容量的電解電容。

但是，這種傳統(tǒng)的電容降壓式直流電源有一個(gè)很大的缺點(diǎn)，即不宜用于動(dòng)態(tài)負(fù)載場(chǎng)合。假設(shè)流過電容C1的電流為IC，流過負(fù)載的電流為 IL，電源的輸出電壓為Vout，則穩(wěn)壓管D3上的功耗PZ為：

可見，當(dāng)負(fù)載電流減小時(shí)，D3上功耗會(huì)變大，以分擔(dān)更多的電流。當(dāng)負(fù)載開路時(shí)，流過電容C1的所有電流都會(huì)全部流過D3，產(chǎn)生大的熱耗功率，導(dǎo)致電路損壞或引發(fā)火災(zāi)。即傳統(tǒng)電容降壓型直流電源的熱耗功率會(huì)隨著負(fù)載的減小而急劇增大。

2 低熱耗功率電容降壓直流電源設(shè)計(jì)

圖3所示為改進(jìn)的電容降壓型直流電源電路。與圖2所示的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，增加了一個(gè)可控硅（SCR），其最大導(dǎo)通電流大于電路的最大輸出電流，最大工作電壓大于電路的輸出電壓，通過適當(dāng)改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)，無需再考慮穩(wěn)壓管D3的功耗問題。

圖3 低熱耗功率電容降壓型直流電源電路

2.1 工作原理

如圖3所示，交流市電在正半周期內(nèi)通過R1、C1、D1為儲(chǔ)能電容C2充電，C2兩端的電壓差(Vout)逐漸增加。當(dāng)Vout小于穩(wěn)壓管D3的擊穿電壓時(shí)，流過D3的電流很小，不能觸發(fā)可控硅導(dǎo)通；當(dāng)Vout大于D3的擊穿電壓時(shí)，流過D3的電流會(huì)快速上升，從而觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，這樣C2便不會(huì)被繼續(xù)充電，以限制Vout繼續(xù)升高。電路中的可控硅器件相當(dāng)于一個(gè)水流開關(guān)，C2相當(dāng)于一個(gè)盛水容器，容器里的水位相當(dāng)于Vout，水流開關(guān)根據(jù)容器里的水位高低決定是否向容器中注水。當(dāng)容器的水位低于Vout時(shí)，便打開水流開關(guān)向容器中注水，當(dāng)水位高于Vout便關(guān)閉水流開關(guān)停止注水，這樣便可以保證容器里水位(Vout)的穩(wěn)定。

由此可以看出，改進(jìn)結(jié)構(gòu)可以根據(jù)電源輸出動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)注入儲(chǔ)能電容C2的電能。所以無論負(fù)載如何變化，不需要消耗多余的電能，其熱耗功率都非常小。而傳統(tǒng)電容降壓型直流電源則因?yàn)闆]有這一功能，導(dǎo)致當(dāng)注入的電能并未被全部輸出（被負(fù)載消耗）時(shí)，多余的電能就會(huì)被電源自身轉(zhuǎn)化成熱能的形式予以消耗，并由圖2中的穩(wěn)壓管D3擔(dān)負(fù)。尤其是在負(fù)載很小或者開路時(shí)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電源熱耗功率很大。

2.2 輸出電壓和最大輸出電流

假設(shè)電源輸入電壓的有效值為Vin，整流二極管D1的正向壓降為 VD1，穩(wěn)壓二極管 D3的穩(wěn)壓值為 VZ，限流電容值為C1，那么Vout和Iout可以表達(dá)為：

只要選取不同穩(wěn)壓值VZ的穩(wěn)壓管就可以得到不同的輸出電壓Vout，然后再根據(jù)Vout和Vin的值選取不同容量的限流電容C1，就可以得到需要的最大輸出電流Iout。所以，本文提出的電源具有很強(qiáng)的通用性。

2.3 特性分析

實(shí)驗(yàn)中取 C1為 2 μF，D3的穩(wěn)壓值為 30 V，C2為220 μF，電源輸入為 220 V/50 Hz的交流市電。圖4所示為電源輸出電壓Vout和輸出電流Iout之間的關(guān)系。在給定的參數(shù)下，當(dāng)輸出電流小于60 mA時(shí)，電源表現(xiàn)出良好的恒壓源特性；當(dāng)輸出電流超過60 mA后，輸出電壓會(huì)急劇下降。所以，在實(shí)際電路中要根據(jù)負(fù)載需要的最大電流來選擇適量的限流電容值，最好留有一定的余量。

圖4 輸出電壓和輸出電流間的關(guān)系

圖5所示是傳統(tǒng)電容降壓式直流電源的輸入功率Pin（電網(wǎng)消耗功率）與輸出功率Pout（負(fù)載消耗功率）與負(fù)載變化的關(guān)系，而圖6顯示了本文設(shè)計(jì)的直流電源的Pin與Pout隨負(fù)載變化的曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，對(duì)于傳統(tǒng)電容降壓式直流電源，其輸入功率始終都保持在較高的水平，這意味著電源負(fù)載減小或空載時(shí)熱耗功率會(huì)急劇增加。而采用改進(jìn)結(jié)構(gòu)的電源，其輸入功率對(duì)輸出功率的變化具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，這可以極大地減少輕載或空載時(shí)電源的熱耗功率，使電源更加高效節(jié)能。

圖5 傳統(tǒng)電源耗散功率和電源輸出功率

圖6 本文電源的耗散功率與電源輸出功率

為了更加直觀地說明本文改進(jìn)設(shè)計(jì)相對(duì)傳統(tǒng)的電容降壓型直流電源的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)電源熱耗功率與電源輸入輸出功率之間的關(guān)系：

得到兩種電源的熱耗功率與電源輸出功率之間關(guān)系的對(duì)比，如圖7所示?？梢钥闯?，改進(jìn)電源熱耗功率幾乎不隨輸出功率的變化而變化，并保持在極低的水平。

圖7 與傳統(tǒng)電容降壓型直流電源熱耗功率對(duì)比

本文通過在傳統(tǒng)的電容降壓型直流電源電路中引入可控硅調(diào)控機(jī)制，并適當(dāng)改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出一種熱耗功率極低，且對(duì)負(fù)載變化有良好適應(yīng)特性的電容降壓型直流電源。通過選擇穩(wěn)壓管參數(shù)滿足所需要的輸出電壓要求。電源在保持結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、成本低的特點(diǎn)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能?？蓮V泛用于要求無隔離、低熱耗、動(dòng)態(tài)負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)的小功率的電子設(shè)備中。目前用于智能電氣監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)中，實(shí)測(cè)結(jié)果表明電源性能表現(xiàn)良好。

[1]劉建，高振鈴.直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，12(4)：69-71.

[2]王聰敏，李少娟，林艷紅，等.直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，16(1)：103-105.

[3]劉夢(mèng)成.交流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)[J].天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，28(4)：28-31.

[4]李文，雷虹，馮進(jìn)軍，等.小型高效小功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2006，40(5)：110-111，142.

[5]陳富軍，衡耀付，季鋼.新型開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].河南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，40(4)：357-360.

[6]Ou Shengyuan，HSIAO H P.Analysis and design of a novel single-stage switching power supply with half-bridge topology[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26(11)：3230-3241.

[7]Wang Jianping，Lu Shan，Wu Huanhuan，et al.Design and implementation of switching power supply for wheeled mobile robot[C].2010 International Conference on Electrical and Control Engineering，2010，10(11)：3543-3545.

[8]金永鎬，金海山.基于電解電容降壓的小容量直流穩(wěn)壓電源[J].信息技術(shù)，2006，19(10)：65-67.

[9]王智昊，王志強(qiáng).一種新穎的電容降壓型直流穩(wěn)壓輔助電源[J].電源世界，2004，23(11)：26-28.

[10]趙軍芳.一種小型直流電源的可靠設(shè)計(jì)[J].儀器儀表用戶，2003，10(2)：49-50.