一種低熱耗功率的電容降壓型直流電源*

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，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，當傳統(tǒng)電容降壓型直流電源的負載減小甚至是開路時，電源的熱耗功率會急劇增加，這不僅需要采用額外的散熱措施以保證電路的安全，而且還會導(dǎo)致電源效率嚴重下降及電能的浪費。這一問題近年來一直沒有得到解決，本文對傳統(tǒng)電容降壓直流電源電路進行改進設(shè)計，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、成本低特點的同時，電路能根據(jù)負載的變化動態(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)缀醪皇茇撦d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，電容容抗的計算公式為：

其中，f為交流信號的頻率，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

如果將一個阻值為 R(R=200 Ω，R＜＜XC)的負載與電容串聯(lián)，則這個負載上的實際電壓為：

可見，電容降壓就是將電容與負載串聯(lián)后接入市電，電容會起到分壓的作用，從而降低了負載上所承受的電壓，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，C1端的電壓突變產(chǎn)生很大的瞬態(tài)電流，會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，因為當負載開路時，所有的電流都會流經(jīng)D3。C2為濾波電容(或儲能電容)，可根據(jù)輸出紋波要求選擇適當容量的電解電容。

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

可見，當負載電流減小時，D3上功耗會變大，以分擔(dān)更多的電流。當負載開路時，流過電容C1的所有電流都會全部流過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隨著負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

圖3所示為改進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，通過適當改進電路結(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為儲能電容C2充電，C2兩端的電壓差(Vout)逐漸增加。當Vout小于穩(wěn)壓管D3的擊穿電壓時，流過D3的電流很小，不能觸發(fā)可控硅導(dǎo)通；當Vout大于D3的擊穿電壓時，流過D3的電流會快速上升，從而觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，這樣C2便不會被繼續(xù)充電，以限制Vout繼續(xù)升高。電路中的可控硅器件相當于一個水流開關(guān)，C2相當于一個盛水容器，容器里的水位相當于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。當容器的水位低于Vout時，便打開水流開關(guān)向容器中注水，當水位高于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，改進結(jié)構(gòu)可以根據(jù)電源輸出動態(tài)地調(diào)節(jié)注入儲能電容C2的電能。所以無論負載如何變化，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為沒有這一功能，導(dǎo)致當注入的電能并未被全部輸出（被負載消耗）時，多余的電能就會被電源自身轉(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。尤其是在負載很小或者開路時，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的通用性。

2.3 特性分析

實驗中取 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，當輸出電流小于60 mA時，電源表現(xiàn)出良好的恒壓源特性；當輸出電流超過60 mA后，輸出電壓會急劇下降。所以，在實際電路中要根據(jù)負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（負載消耗功率）與負載變化的關(guān)系，而圖6顯示了本文設(shè)計的直流電源的Pin與Pout隨負載變化的曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，對于傳統(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，這意味著電源負載減小或空載時熱耗功率會急劇增加。而采用改進結(jié)構(gòu)的電源，其輸入功率對輸出功率的變化具有動態(tài)響應(yīng)特性，這可以極大地減少輕載或空載時電源的熱耗功率，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設(shè)計相對傳統(tǒng)的電容降壓型直流電源的優(yōu)點，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)系的對比，如圖7所示。可以看出，改進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)控機制，并適當改進電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計出一種熱耗功率極低，且對負載變化有良好適應(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、成本低的特點基礎(chǔ)上，實現(xiàn)高效節(jié)能?？蓮V泛用于要求無隔離、低熱耗、動態(tài)負載適應(yīng)性強的小功率的電子設(shè)備中。目前用于智能電氣監(jiān)控模塊設(shè)計中，實測結(jié)果表明電源性能表現(xiàn)良好。

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