基于阻容降壓的穩(wěn)壓電路設(shè)計

翟明靜，徐建剛，劉廣陵

(1.常州工學(xué)院，江蘇 常州213002；2.英特曼電工（常州）有限公司，江蘇 常州 213165)

基于阻容降壓的穩(wěn)壓電路設(shè)計

翟明靜1，徐建剛2，劉廣陵2

(1.常州工學(xué)院，江蘇 常州213002；2.英特曼電工（常州）有限公司，江蘇 常州 213165)

為了解決給智能家用電器所用到的ASIC芯片提供穩(wěn)定電源電壓的問題，設(shè)計出阻容降壓的穩(wěn)壓電路，該電路對市電進(jìn)行阻容降壓、半波整流、濾波，在穩(wěn)壓電路引入深度電壓負(fù)反饋使輸出電壓穩(wěn)定，該電路具有抗電網(wǎng)干擾和防浪涌功能；經(jīng)過瞬態(tài)分析后，輸出電壓最終穩(wěn)定在5.085 9 V，與實際電路測試結(jié)果5.04 V僅相差0.045 9 V，該穩(wěn)壓電路已成功應(yīng)用于電子產(chǎn)品中。

阻容降壓；整流；負(fù)反饋；穩(wěn)壓電路

0　引言

隨著科技的發(fā)展，計算機技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)以及信息技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)家電，使家電具備智能化和信息網(wǎng)絡(luò)功能，即智能家電，智能家用電器體現(xiàn)了家用電器最新技術(shù)面貌。另外，智能家電的節(jié)能和環(huán)保功能也成為了智能家電發(fā)展的一個趨勢。為了實現(xiàn)智能家電的智能功能，就需要用到實現(xiàn)這些功能的專用芯片（ASIC），因此給這些專用集成芯片提供電源，成為一個至關(guān)重要的問題。阻容降壓穩(wěn)壓電源設(shè)計簡單，元件少，制造和使用都較可靠，在家電、照明等行業(yè)大量應(yīng)用[1，2]。

早期穩(wěn)壓電源電路包括：降壓變壓器、整流二極管或整流橋、濾波電容及穩(wěn)壓環(huán)節(jié)組成[3]。由于其消耗有色金屬，體積大，價格高，安裝不便，為克服這些缺陷，出現(xiàn)了阻容降壓穩(wěn)壓電路。如圖1所示，阻容降壓穩(wěn)壓電路節(jié)省了大體積的變壓器，因此體積、重量及成本都大大降低。

圖1　阻容降壓穩(wěn)壓電路系統(tǒng)框圖

1　阻容降壓穩(wěn)壓電路的設(shè)計與分析

1.1阻容降壓穩(wěn)壓電路設(shè)計

本文所設(shè)計的阻容降壓穩(wěn)壓電路如圖2所示，F(xiàn)use為保險絲，參數(shù)選取為 1 A/250 V，當(dāng)輸入端流入大電流，保險絲熔斷，從而保護阻容降壓穩(wěn)壓電路器件不被損壞。壓敏電阻R0選取14D471K，用來防浪涌，能夠起到保護作用；限流電阻R1、泄放電阻R2和限流電容 C1構(gòu)成阻容降壓電路；D1半波整流二極管，D2在市電的負(fù)半周時給 C1提供放電回路；D3、R6為初級穩(wěn)壓電路，R3、C2組成濾波電路，R4、Q1、D4構(gòu)成串聯(lián)穩(wěn)壓電路。

1.2阻容降壓及整流電路原理及分析

雖然利用變壓器降壓，可以得到穩(wěn)定的電壓與較高的效率，由于變壓器包含繞制線圈，會占用很大的空間，在實際布線與安裝時就會造成一定的困難；另一方面，對于企業(yè)來說，利用變壓器降壓，成本也會增加；阻容降壓的核心元件是一個電阻和電容并聯(lián)，實際上就是利用容抗限流。而電容器起到一個限制電流和動態(tài)分配電容器和負(fù)載兩端電壓的角色，限流（降壓）電容器C1一定要選擇耐壓高的，通常要大于兩倍的電源電壓，因為當(dāng)阻容降壓電路空載時，輸出電壓只有三十多伏，市電220 V電壓大部分都加到電容C1上。

圖2　阻容降壓穩(wěn)壓電路

電容C1的取值，取決于通過的電流，當(dāng)電容連接到交流電路中，電容C1的容抗為：

式中，XC1為電容的容抗，f為交流電源的頻率，C1為電容的容量。因此流過阻容降壓電路的電流為：

當(dāng)采用半波整流時，由于只有交流電的半個周期通過，所以有：

因此在市電220 V電壓下，每微法的電容得到的電流大小為：

本文電容C1大小為 0.47 μF，因此電路中電流的大小為14.1 mA。

R2為泄放電阻，當(dāng)正弦波在最大峰值時刻被切斷時，電容C1上殘存電荷無法釋放，會長久存在，如果人體接觸到C1的金屬部分，就會有強烈的觸電可能，而電阻R2的存在，能夠?qū)埓娴碾姾尚狗诺?，從而保證人、機安全。泄放電阻的阻值和電容的大小有關(guān)，一般電容的容量越大，殘存的電荷越多，泄放電阻的阻值就要選小一些的。經(jīng)驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　泄放電阻經(jīng)驗取值

D1為半波整流二極管，雖然半波整流效率僅是全波整流的一半，但不推薦使用橋式整流，因為在電路中總希望整個電路只有一個公共參考點即接地點。當(dāng)采用阻容降壓方式進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換時，如果采用橋式整流，在交流端和直流端不可能只有一個公共參考點，當(dāng)交流端的零線和火線反接時，直流端的參考點可能會帶電，因此這種做法不安全。當(dāng)采用半波整流時，可以保證交直流端的參考點都接到交流端的零線上，在電路調(diào)試時可以保證相對安全一些，這非常重要，因此使用半波整流電路。

對于半波整流二極管的選擇，因為要考慮到電網(wǎng)電壓有正負(fù)10%的波動，因此整流二極管的最大平均電流IF和最高反向工作電壓URM也應(yīng)至少保留10%的余地，從而保證二極管安全工作，即選?。?/p>

其中U和RL為阻容降壓后的輸出電壓和電路負(fù)載。

1.3穩(wěn)壓電路分析

本文所設(shè)計的初級穩(wěn)壓電路模型如圖3所示，在圖3中，R為限流電阻，rZ為穩(wěn)壓管的內(nèi)阻，RL為等效負(fù)載。

圖3　初級穩(wěn)壓電路模型

在初級穩(wěn)壓電路中，利用穩(wěn)壓管的電流調(diào)節(jié)作用，通過限流電阻R上電壓或電流的變化進(jìn)行補償，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。該電路的穩(wěn)壓系數(shù)Sr。當(dāng)RL為常數(shù)時。

為使 Sr數(shù)值小，需增大 R；但在 Uo和負(fù)載電流確定的情況下，若R的取值大，則Ui的取值也會變大，這樣導(dǎo)致Sr變大。因此初級穩(wěn)壓電路的Sr值一般在0.01左右，初級穩(wěn)壓后輸出電壓的紋波系數(shù)比較大，因此初級穩(wěn)壓性能較差。

初級穩(wěn)壓后輸出的紋波系數(shù)較大，不能滿足后級芯片輸入電壓的要求，引入串聯(lián)穩(wěn)壓電路，如圖4所示，該電路中引入深度電壓負(fù)反饋使輸出電壓穩(wěn)定，達(dá)到輸出電壓Uo在Ui變化或負(fù)載電阻 RL變化時，輸出電壓基本不變。

圖4　串聯(lián)穩(wěn)壓電路

對于圖4所示的串聯(lián)穩(wěn)壓電路，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動引起Ui增大，或負(fù)載電阻 RL增大時，輸出電壓 Uo將隨著增大，晶體管T發(fā)射極電位UE升高；由于穩(wěn)壓管DZ端電壓保持不變，晶體管T的UBE減小，晶體管基極電流 Ib減小，發(fā)射極電流 Ie也減小，從而使 Uo減小；當(dāng)電網(wǎng)電壓波動引起Ui減小，或負(fù)載電阻RL減小時，輸出電壓Uo將隨著減小，晶體管T發(fā)射極電位UE降低；由于穩(wěn)壓管DZ端電壓保持不變，晶體管 T的UBE增加，晶體管基極電流Ib增大，發(fā)射極電流 Ie也增大，從而使 Uo增大；因此可以保持輸出電壓Uo保持不變。

2　電路仿真和測試

本文采用 NI公司的 Multisim軟件對阻容降壓的穩(wěn)壓電路進(jìn)行設(shè)計和仿真。圖5～圖7為整個阻容降壓穩(wěn)壓電路的瞬態(tài)分析仿真結(jié)果，瞬態(tài)分析掃描時間為1.5 s。圖5為市電 220 V經(jīng)阻容降壓和半波整流后的輸出電壓仿真波形，可以看出輸出電壓的紋波比較大，交流分量大（即脈動大）；并且會隨負(fù)載電流的變化發(fā)生很大的波動，因此只適用于對脈動要求不高的場合。圖6為初級穩(wěn)壓輸出的仿真圖，可以看出，經(jīng)過初級穩(wěn)壓后，電壓紋波變小，但穩(wěn)壓系數(shù)仍較大，電壓穩(wěn)定在 24 V左右，僅能滿足對穩(wěn)壓性能要求不高的場合。圖7為阻容降壓穩(wěn)壓電路最終輸出電壓仿真情況，穩(wěn)壓電路輸出電壓紋波消失，輸出電壓最終穩(wěn)定在 5.085 9 V，同時該阻容降壓穩(wěn)壓電路的從上電到穩(wěn)壓的時間約為 241.706 2 ms，滿足高性能電路的穩(wěn)壓需要。

圖5　阻容降壓整流仿真結(jié)果

圖6　初級穩(wěn)壓仿真結(jié)果

圖7　串聯(lián)穩(wěn)壓輸出仿真結(jié)果

根據(jù)阻容降壓穩(wěn)壓電路的原理圖2，實際的阻容降壓穩(wěn)壓電路的測試結(jié)果如圖8所示，圖8(a)為電路上電瞬間的輸出波形，由于電路從上電到穩(wěn)壓的時間很短，所以波形很陡。圖8(b)為最終穩(wěn)壓電路的輸出電壓，輸出穩(wěn)壓的平均值為 5.04 V，最大值為 5.12 V，最小值為4.96 V，與穩(wěn)壓電路仿真結(jié)果5.085 9 V僅相差0.045 9 V，因此穩(wěn)壓性能很好，滿足對輸入電壓為5 V專用芯片（ASIC）供電要求。

圖8　阻容降壓穩(wěn)壓電路測試結(jié)果

3　結(jié)論

本文介紹阻容降壓穩(wěn)壓電路的基本原理，設(shè)計出實用的穩(wěn)壓電路，通過具體的仿真分析和對實際電路的測試，結(jié)果表明該阻容降壓穩(wěn)壓電路能夠輸出穩(wěn)定電壓為5.04 V；與仿真分析的理想數(shù)值僅相差 0.045 9 V，同時，該電路結(jié)構(gòu)簡單，制造成本比較低，工作性能良好，可靠性高，在輸入電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度等參數(shù)發(fā)生變化時仍能保持輸出電壓恒定，能為ASIC芯片提供穩(wěn)定電源電壓，目前該阻容降壓穩(wěn)壓電路已經(jīng)廣泛應(yīng)用于具體電子產(chǎn)品中。

[1]戴修敏.阻容降壓電源的起火分析與改進(jìn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(1)：142-144.

[2]錢江山.智能家電控制技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2007.

[3]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2011.

Design of regulator circuit based on RC power supply

Zhai Mingjing1，Xu Jiangang2，Liu Guangling2
(1.Changzhou Institute Technology，Changzhou 213002，China；2.Etman Electric(Changzhou)Co.，Ltd，Changzhou 213165，China)

In order to provide the stabilizing power supply voltage for the ASIC chip used in the smart household appliances,regulator circuit based on RC power supply was designed.The circuit executed RC power supply,half wave rectification and filtering to electric city.Output voltage remained stable because of the regulator circuit with deep negative feedback.It can be effectively prevent interference about power grid and surge voltage.The output voltage was stable at 5.085 9 V after transient analysis.The test results showed output voltage was 5.04 V.The difference between the theoretical and practical values was 0.045 9 V.The regulator circuit has been applied to the electronic products successfully.

RC power supply；rectification；negative feedback；regulator circuit

TN702

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.036

2015-06-12)

翟明靜（1985-），男，碩士研究生，講師，主要研究方向：模擬電路及系統(tǒng)設(shè)計。

徐建剛（1964-），男，碩士研究生，主要研究方向：系統(tǒng)電路設(shè)計。

劉廣陵（1987-），男，本科，主要研究方向：家用電器電路設(shè)計。

中文引用格式：翟明靜，徐建剛，劉廣陵.基于阻容降壓的穩(wěn)壓電路設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(10)：133-135.

英文引用格式：Zhai Mingjing，Xu Jiangang，Liu Guangling.Design of regulator circuit based on RC power supply[J].Application of Electronic Technique，2015，41(10)：133-135.