阻容降壓型直流電源的設(shè)計(jì)與仿真

李美芳

（山西大學(xué) 電力工程系，山西 太原 030013）

阻容降壓型直流電源的設(shè)計(jì)與仿真

李美芳

（山西大學(xué) 電力工程系，山西 太原 030013）

阻容降壓型直流電源以成本低、使用較可靠的特點(diǎn)在智能家電領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，常用來為專用集成芯片提供電源。為驗(yàn)證相關(guān)特性，通過分析這種直流電源的工作原理和各部分組成，設(shè)計(jì)了具體電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真試驗(yàn)，并繪制輸出U-I曲線，得出：對(duì)特定的負(fù)載設(shè)置阻容降壓參數(shù)，可以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的效果，能作穩(wěn)壓電源使用。

直流電源；阻容降壓；串聯(lián)穩(wěn)壓；PSIM仿真

常用電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路、微型芯片、控制檢測(cè)等電子設(shè)備在工作時(shí)都需要小功率直流穩(wěn)壓輔助電源[1-2]。傳統(tǒng)的線性直流穩(wěn)壓電源因含工頻變壓器，笨重、安裝不便且功率損耗大[3]；開關(guān)電源結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，存在RFI和EMI干擾等問題[4]?；谧枞萁祲旱闹绷鞣€(wěn)壓電源采用高壓電容和和穩(wěn)壓二極管組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小巧、呈容性可補(bǔ)償功率因數(shù)，同時(shí)具有響應(yīng)快、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，在一些不需要隔離的場(chǎng)合，如智能電器、照明和電子產(chǎn)品等領(lǐng)域大量應(yīng)用[5-6]。

文獻(xiàn)[7]介紹了阻容加壓的原理，重點(diǎn)對(duì)阻容降壓電路的穩(wěn)壓性能進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，并引出初級(jí)穩(wěn)壓和串聯(lián)穩(wěn)壓電路。文獻(xiàn)[8]針對(duì)傳統(tǒng)的阻容降壓型直流電源進(jìn)行改進(jìn)，通過引入一個(gè)可控硅原件，調(diào)整電路結(jié)構(gòu)，解決了這種電源熱功耗大，發(fā)熱的問題。本文在分析阻容降壓穩(wěn)壓電路工作原理和組成元件參數(shù)選取原則的基礎(chǔ)上，總結(jié)此電源的特性，然后設(shè)計(jì)一個(gè)具體電路，采用PSIM仿真軟件[9-11]進(jìn)行驗(yàn)證，得出對(duì)該電源分析的有效性。

1 阻容降壓電路

1.1 工作原理

阻容降壓電路的原理就是將電容與負(fù)載串聯(lián)接入市電，如圖1所示。C1為降壓電容，此電容和電阻組成的并聯(lián)支路在動(dòng)態(tài)分配電容和負(fù)載兩端電壓的同時(shí)，還起到限制電流的作用，所以也稱作限流電容。如果視降壓電容為一個(gè)理想電容，那么流過的無功電流不消耗任何有功，所產(chǎn)生的功耗完全取決于這個(gè)與電容串聯(lián)的阻性元件。阻容降壓直流電源一般有5部分組成：降壓—整流—濾波—限流—穩(wěn)壓，因?yàn)槭∪チ俗儔浩?，不僅效率提高，體積、成本都大大降低[12-15]。

圖1 阻容降壓電路原理圖

1）降壓電容選擇

C1的值取決于它通過的電流，假設(shè)負(fù)載短路，此時(shí)為流過阻容降壓電路的最大電流：

采用半波整流輸出電壓的有效值為：

在市電電壓下，1 μF電容得到的電流大小為：

f為電源頻率，單位 Hz；C 為電容，單位 F；Ui為輸入電源電壓，單位V；XC=2πfC為阻抗，阻值單位Ω。如果采用橋式全波整流可得到雙倍的電壓有效值，那么1 μF電容可得到電流大小為60 mA。

可見在整流方式選定的情況下，提供的電流大小正比于降壓電容容量，實(shí)際中根據(jù)電源可能出現(xiàn)的最大負(fù)載電流選擇C1值的大小，并留有一定的裕量。C1在實(shí)際中常采用具有較高耐壓值的無極性金屬膜電容，R1為C1的泄放電阻，防止在正弦波峰值時(shí)刻切斷電源時(shí)，對(duì)人體觸電，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取值。

2）整流部分

在整流環(huán)節(jié)，如采用橋式整流電路，可向負(fù)載提供較大的電流，但是全波整流是浮地的，當(dāng)輸入零、火線反接時(shí)，直流端可能帶電；半波整流輸出電流是全波的一半，但是可以保證交、直流端有公共的參考點(diǎn)，比較安全。

3）濾波部分

C2是濾波電容，放電時(shí)間常數(shù)τ=RLC2，τ較大，輸出紋波就較小，所以在負(fù)載一定的情況下，C2可適當(dāng)大些。電流小于100 mA時(shí)，一般幾百μF都能得到滿足，濾波電容耐壓值選擇至少要在輸出電壓峰值的1.5倍左右。

4）限流電阻

R2是限流電阻，起過流保護(hù)作用。

5）穩(wěn)壓環(huán)節(jié)

在負(fù)載對(duì)電源電壓有要求的情況下，穩(wěn)壓環(huán)節(jié)是必不可少的，起大電流過溫、過流保護(hù)作用。常用齊納二極管或三端穩(wěn)壓器構(gòu)成初級(jí)并聯(lián)穩(wěn)壓電路，模型如圖2所示，利用限流電阻R2上電壓或電流的變化進(jìn)行補(bǔ)償，通過穩(wěn)壓管的電流調(diào)節(jié)作用，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。該電路的穩(wěn)壓系數(shù)為Sv，因?yàn)閞Z遠(yuǎn)小于R2和 RL，所以：

圖2 并聯(lián)穩(wěn)壓電路模型

在Ui和負(fù)載確定的情況下，并聯(lián)穩(wěn)壓電路增大限流電阻R2，輸出電壓Uo必然會(huì)減小，因此穩(wěn)壓系數(shù)Sv一般在0.01左右，此外初級(jí)并聯(lián)穩(wěn)壓電路紋波系數(shù)較大，性能差。為了得到更高精度的穩(wěn)壓特性，后級(jí)引入串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，如圖3所示，該電路基于電壓深度負(fù)反饋的原理。在市電電壓或負(fù)載波動(dòng)時(shí)，由于穩(wěn)壓管D兩端電壓保持不變，串聯(lián)穩(wěn)壓電路的負(fù)反饋情況如下：

圖3 串聯(lián)穩(wěn)壓電路

因此，在Ui和RL在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電壓Uo基本可以保持不變。

1.2 電源特性

1）恒流特性

阻容降壓的理論基礎(chǔ)是正弦交流電下的RC串聯(lián)電路，容抗串聯(lián)分壓從而降低負(fù)載上所承受的電壓，它的戴維寧和諾頓等效電路如圖4所示，在電壓源兩端串聯(lián)阻抗與恒流源兩端并聯(lián)阻抗等效。為安全起見防止電容電荷對(duì)人體放電，降壓電容取值較小，電源內(nèi)阻XC1=1/2πfC1就很大，分流就很小，所以從輸出端來看近似恒流輸出，可視為一恒流源，不適合應(yīng)用在大電流供電場(chǎng)合。采用全波整流的降壓電容C1和輸出電流Io、電壓Uo之間的關(guān)系經(jīng)推導(dǎo)見公式（6），由公式可見，電源兩端接220 V市電，在降壓電容選定后，輸出電壓只與輸出電流有關(guān)，欲得到穩(wěn)定的輸出電壓，負(fù)載必須相對(duì)固定，故不適合大范圍動(dòng)態(tài)負(fù)荷場(chǎng)合，且一般要在濾波后加穩(wěn)壓電路。

圖4 戴維寧和諾頓等效電路

2）功率因數(shù)補(bǔ)償特性

從電源輸入端分析U-I特性，U1、Ui和電容兩端電壓UC1之間的相量關(guān)系見圖5，如果視R2、RL為純阻性，那么U1⊥UC1，又由于R2、RL遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于降壓電容容抗XC1，相量圖中看θ角很小，輸入電流Ii超前輸入U(xiǎn)i近似90°，仿真驗(yàn)證二者的相位關(guān)系亦如此，表明電源的輸入阻抗近似呈純?nèi)菪?，相?duì)于電網(wǎng)中大多數(shù)感性負(fù)荷而言，這種電源具有功率因數(shù)補(bǔ)償特性。

圖 5 U1、Ui、UC1和 Ii相量圖

2 仿真研究

2.1 電路設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際中無極性電容常有的容值選擇2.2 μF的降壓電容，采用半波整流，那么可提供的最大負(fù)載電流可達(dá)66 mA。選用20 Ω的限流電阻和100 μF的電解電容濾波后，采用齊納管構(gòu)成并聯(lián)初級(jí)穩(wěn)壓電路，但是初級(jí)穩(wěn)壓電路的紋波系數(shù)較大，為了達(dá)到更高精度的穩(wěn)壓特性，后級(jí)引入基于電壓深度負(fù)反饋的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。欲達(dá)到最終5 V的穩(wěn)壓效果，考慮三極管的管壓降和導(dǎo)線壓降，選擇初級(jí)12 V穩(wěn)壓管，串聯(lián)穩(wěn)壓電路5.6 V穩(wěn)壓管，兩級(jí)穩(wěn)壓電路之間有電解電容濾波。

2.2 仿真分析

文中采用PSIM軟件對(duì)阻容降壓的穩(wěn)壓電路與進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，實(shí)際仿真電路如圖6所示。設(shè)置電壓測(cè)量單元，Uz為整流后電壓，Uw為經(jīng)初級(jí)濾波穩(wěn)壓后的電壓，Uo為經(jīng)串聯(lián)穩(wěn)壓后最終的輸出電壓。通過改變負(fù)載的大小改變輸出電流，分析該電路的輸出電壓特性。

1）輕載，取 RL=10 kΩ，理論 Io=5/10×103=0.5 mA，Uz、Uw、Uo電壓波形曲線如圖 7（a）所示：可見，兩級(jí)穩(wěn)壓輸出的電壓很快穩(wěn)定在設(shè)定值，只有半波整流后的輸出電壓存在紋波。

圖6 阻容降壓型直流電源仿真圖

2）正常負(fù)載，取 RL=1 kΩ 為代表，Uz、Uw、Uo電壓以及輸出電流Io波形曲線如圖7（b）所示。半波整流后的輸出電壓紋波比較大，脈動(dòng)大，并聯(lián)初級(jí)穩(wěn)壓后的電壓開始出現(xiàn)較小紋波，僅能滿足對(duì)穩(wěn)壓性能要求不高的場(chǎng)合，經(jīng)串聯(lián)穩(wěn)壓后的最終輸出電壓紋波消失，同時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為58 ms，能滿足高性能電路的穩(wěn)壓要求。輸入電壓Ui和電流Ii的波形如圖9所示，可見二者之間的相位關(guān)系為Ii超前Ui約90°，表明電源的輸入阻抗呈純?nèi)菪?，具有功率因?shù)補(bǔ)償特性。

3）過載，取RL=100 Ω，負(fù)荷電流接近飽和狀態(tài)

該電源的負(fù)載飽和狀態(tài)理論上是指最大工作電流，那么臨界飽和電阻值為RLmin=5 V/66 mA=75 Ω。仿真結(jié)果如圖7（c），當(dāng)負(fù)載電流接近飽和狀態(tài)時(shí)，輸出電壓Uo明顯下降，且電壓Uo和電流Io都出現(xiàn)波動(dòng)，不能滿足穩(wěn)壓要求，所以這種電源不適合大功率場(chǎng)合。

根據(jù)負(fù)載連續(xù)變化所得一系列的仿真數(shù)據(jù)，得出所設(shè)計(jì)阻容降壓型直流穩(wěn)壓電源的輸出U-I關(guān)系曲線如圖8所示。由結(jié)果可以看出，在負(fù)載電流較小到接近飽和這段區(qū)間之前，該電源輸出電壓非常平穩(wěn)，當(dāng)負(fù)載電流接近甚至超過飽和值時(shí)，電壓迅速降低，不能穩(wěn)壓，所以說阻容降壓電路的負(fù)載電流存在最大極限，只適用小功率電源。

圖7 電壓波形

圖8 輸出U-I的關(guān)系曲線

阻容降壓型直流穩(wěn)壓電源實(shí)際上利用串聯(lián)分壓的原理，將降壓電容和負(fù)載電路直接聯(lián)在220 V市電中，所以整個(gè)阻容降壓的電路參數(shù)由后繼負(fù)載決定，在使用時(shí)注意：根據(jù)負(fù)載電流大小和工作頻率選取適當(dāng)?shù)慕祲弘娙荩皇且蕾囏?fù)載的電壓和功率。

3 結(jié) 論

文中介紹了阻容降壓型直流穩(wěn)壓電源的基本原理和特性，通過對(duì)一具體的電路進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，經(jīng)串聯(lián)穩(wěn)壓后的穩(wěn)壓效果好，能滿足高性能電路的穩(wěn)壓要求，但是當(dāng)阻容降壓電路的參數(shù)選定，負(fù)載電流接近飽和值后，將不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，所以該電路只能用作小功率供電場(chǎng)合。阻容降壓電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，有利于實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的小型化提高性價(jià)比。

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Designed and simulation of RC step-down DC power supply

LI Mei-fang
（Department of Electric Engineering，Shanxi University，Taiyuan 030013，China）

The DC power supply with RC step-down finds widely in the field of intelligent home appliances，due to low cost and reliable performance，which used to provide power for specific integrated chip.In order to verify the relevant characteristics，the working principle and various components of this DC power supply is analyzed first in this paper，then the specific circuit is designed for dynamic simulation，and the output U-I curve is drawn.The results show that:it can achieve the effect of stabilizing the output voltage to set RC parameters for a particular load，which can be used as regulator power supply.

DC power supply； RC step-down； a series regulator；PSIM simulation

TN709

A

1674－6236（2017）17-0120-04

2016-07-13稿件編號(hào)：201607102

李美芳（1987—），女，山西晉中人，碩士，助教。研究方向：新能源及電能變換。