阻容降壓型直流電源的設計與仿真

李美芳

（山西大學 電力工程系，山西 太原 030013）

阻容降壓型直流電源的設計與仿真

李美芳

（山西大學 電力工程系，山西 太原 030013）

阻容降壓型直流電源以成本低、使用較可靠的特點在智能家電領域廣泛應用，常用來為專用集成芯片提供電源。為驗證相關特性，通過分析這種直流電源的工作原理和各部分組成，設計了具體電路進行動態仿真試驗，并繪制輸出U-I曲線，得出：對特定的負載設置阻容降壓參數，可以達到穩定輸出電壓的效果，能作穩壓電源使用。

直流電源；阻容降壓；串聯穩壓；PSIM仿真

常用電力電子器件的驅動電路、微型芯片、控制檢測等電子設備在工作時都需要小功率直流穩壓輔助電源[1-2]。傳統的線性直流穩壓電源因含工頻變壓器，笨重、安裝不便且功率損耗大[3]；開關電源結構復雜、成本高，存在RFI和EMI干擾等問題[4]?；谧枞萁祲旱闹绷鞣€壓電源采用高壓電容和和穩壓二極管組成，結構簡單、小巧、呈容性可補償功率因數，同時具有響應快、運行可靠的優點，在一些不需要隔離的場合，如智能電器、照明和電子產品等領域大量應用[5-6]。

文獻[7]介紹了阻容加壓的原理，重點對阻容降壓電路的穩壓性能進行設計和驗證，并引出初級穩壓和串聯穩壓電路。文獻[8]針對傳統的阻容降壓型直流電源進行改進，通過引入一個可控硅原件，調整電路結構，解決了這種電源熱功耗大，發熱的問題。本文在分析阻容降壓穩壓電路工作原理和組成元件參數選取原則的基礎上，總結此電源的特性，然后設計一個具體電路，采用PSIM仿真軟件[9-11]進行驗證，得出對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載串聯接入市電，如圖1所示。C1為降壓電容，此電容和電阻組成的并聯支路在動態分配電容和負載兩端電壓的同時，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理想電容，那么流過的無功電流不消耗任何有功，所產生的功耗完全取決于這個與電容串聯的阻性元件。阻容降壓直流電源一般有5部分組成：降壓—整流—濾波—限流—穩壓，因為省去了變壓器，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，假設負載短路，此時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，實際中根據電源可能出現的最大負載電流選擇C1值的大小，并留有一定的裕量。C1在實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刻切斷電源時，對人體觸電，一般根據經驗數據取值。

2）整流部分

在整流環節，如采用橋式整流電路，可向負載提供較大的電流，但是全波整流是浮地的，當輸入零、火線反接時，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，比較安全。

3）濾波部分

C2是濾波電容，放電時間常數τ=RLC2，τ較大，輸出紋波就較小，所以在負載一定的情況下，C2可適當大些。電流小于100 mA時，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，起過流保護作用。

5）穩壓環節

在負載對電源電壓有要求的情況下，穩壓環節是必不可少的，起大電流過溫、過流保護作用。常用齊納二極管或三端穩壓器構成初級并聯穩壓電路，模型如圖2所示，利用限流電阻R2上電壓或電流的變化進行補償，通過穩壓管的電流調節作用，達到穩壓的目的。該電路的穩壓系數為Sv，因為rZ遠小于R2和 RL，所以：

圖2 并聯穩壓電路模型

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

圖3 串聯穩壓電路

因此，在Ui和RL在一定范圍內變化時，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是正弦交流電下的RC串聯電路，容抗串聯分壓從而降低負載上所承受的電壓，它的戴維寧和諾頓等效電路如圖4所示，在電壓源兩端串聯阻抗與恒流源兩端并聯阻抗等效。為安全起見防止電容電荷對人體放電，降壓電容取值較小，電源內阻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，不適合應用在大電流供電場合。采用全波整流的降壓電容C1和輸出電流Io、電壓Uo之間的關系經推導見公式（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，欲得到穩定的輸出電壓，負載必須相對固定，故不適合大范圍動態負荷場合，且一般要在濾波后加穩壓電路。

圖4 戴維寧和諾頓等效電路

2）功率因數補償特性

從電源輸入端分析U-I特性，U1、Ui和電容兩端電壓UC1之間的相量關系見圖5，如果視R2、RL為純阻性，那么U1⊥UC1，又由于R2、RL遠遠小于降壓電容容抗XC1，相量圖中看θ角很小，輸入電流Ii超前輸入Ui近似90°，仿真驗證二者的相位關系亦如此，表明電源的輸入阻抗近似呈純容性，相對于電網中大多數感性負荷而言，這種電源具有功率因數補償特性。

圖 5 U1、Ui、UC1和 Ii相量圖

2 仿真研究

2.1 電路設計

根據實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載電流可達66 mA。選用20 Ω的限流電阻和100 μF的電解電容濾波后，采用齊納管構成并聯初級穩壓電路，但是初級穩壓電路的紋波系數較大，為了達到更高精度的穩壓特性，后級引入基于電壓深度負反饋的串聯型穩壓電路。欲達到最終5 V的穩壓效果，考慮三極管的管壓降和導線壓降，選擇初級12 V穩壓管，串聯穩壓電路5.6 V穩壓管，兩級穩壓電路之間有電解電容濾波。

2.2 仿真分析

文中采用PSIM軟件對阻容降壓的穩壓電路與進行設計和仿真，實際仿真電路如圖6所示。設置電壓測量單元，Uz為整流后電壓，Uw為經初級濾波穩壓后的電壓，Uo為經串聯穩壓后最終的輸出電壓。通過改變負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，兩級穩壓輸出的電壓很快穩定在設定值，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，脈動大，并聯初級穩壓后的電壓開始出現較小紋波，僅能滿足對穩壓性能要求不高的場合，經串聯穩壓后的最終輸出電壓紋波消失，同時動態響應時間為58 ms，能滿足高性能電路的穩壓要求。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系為Ii超前Ui約90°，表明電源的輸入阻抗呈純容性，具有功率因數補償特性。

3）過載，取RL=100 Ω，負荷電流接近飽和狀態

該電源的負載飽和狀態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。仿真結果如圖7（c），當負載電流接近飽和狀態時，輸出電壓Uo明顯下降，且電壓Uo和電流Io都出現波動，不能滿足穩壓要求，所以這種電源不適合大功率場合。

根據負載連續變化所得一系列的仿真數據，得出所設計阻容降壓型直流穩壓電源的輸出U-I關系曲線如圖8所示。由結果可以看出，在負載電流較小到接近飽和這段區間之前，該電源輸出電壓非常平穩，當負載電流接近甚至超過飽和值時，電壓迅速降低，不能穩壓，所以說阻容降壓電路的負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的關系曲線

阻容降壓型直流穩壓電源實際上利用串聯分壓的原理，將降壓電容和負載電路直接聯在220 V市電中，所以整個阻容降壓的電路參數由后繼負載決定，在使用時注意：根據負載電流大小和工作頻率選取適當的降壓電容，而不是依賴負載的電壓和功率。

3 結 論

文中介紹了阻容降壓型直流穩壓電源的基本原理和特性，通過對一具體的電路進行仿真分析，結果表明，經串聯穩壓后的穩壓效果好，能滿足高性能電路的穩壓要求，但是當阻容降壓電路的參數選定，負載電流接近飽和值后，將不能實現穩壓，所以該電路只能用作小功率供電場合。阻容降壓電源結構簡單，工作可靠，有利于實現電子設備的小型化提高性價比。

[1]周園，譚功全．數字式可調直流穩壓電源設計[J]．電子設計工程，2013，21（21）：120-122．

[2]宋云強．一種可控硅并聯穩壓電源[J].電子技術，2012，（9）：65，66-68．

[3]歐國鋒．一種線性穩壓電源的設計與研究 [D]．濟南：山東大學，2012．

[4]崔旭生，李建雄，陳治通，等．開關電源電磁輻射干擾的建模與仿真[J]．電源技術，2014，38（5）：969-972．

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

[6]鞏志軍，王洪濤，曹建偉．MathCAD的電容降壓式電源負載能力的分析 [J]．機電產品開發與創新，2010，23（3）：168-169．

[7]翟明靜，徐建剛．劉廣陵.基于阻容降壓的穩壓電路設計[J]．電子技術應用，2012，41（10）：133-135．

[8]余成林，易茂祥，陶金，等．一種低熱耗功率的電容降壓型直流電源[J]．電子技術應用，2013，39（11）：67-69．

[9]王耀，吳艷萍，鄭丹.基于PSIM仿真的電力電子課程設計[J]．實驗技術與管理，2013，30（12）：108-110．

[10]李潔，王偉，鐘彥儒．電力電子系統的PSIM+Matlab聯合仿真方法[J]．電力電子技術，2010，44（5）：86-88．

[11]張曉波，王占霞，張新燕，等．基于PSIM和Matlab的變頻器故障仿真分析[J]．電網技術，2010，34（3）：79-84．

[12]邱關源，羅先覺．電路[M]．北京：高等教育出版社，2006．

[13]毛景魁．小功率直流電源的分析與設計[J]．河南機電高等專科學校學報，2014，22（3）：1-3．

[14]楊海明，楊國志，李悅，等.電容降壓式電路的設計原理[J]．信息技術，2013（7）：185-186．

[15]楊婧婧．電容降壓電路工作原理[J]．機床電器，2012（6）：50-51．

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：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。