一种低热耗功率的电容降压型直流电源*

余成林 ，易茂祥 ，陶 金 ，方祥圣

(1.合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥230009；2.安徽经济管理学院 信息科学系，安徽 合肥230001)

目前，从220 V市电直接获得小容量低压电源的方法主要包括：利用电阻和稳压二极管组成简易稳压电源；使用小容量变压器降压[1-3]；通过小型开关变换器[4-7]和使用高压电容和稳压二极管组成电容降压型稳压电源[8-10]。其中，普通线性稳压电源效率比较低，电源的变压器体积大、重量大、成本较高，且开关电源结构复杂、电源纹波较大，成本高。电容降压型直流电源具有无隔离、体积小、成本低等优点，被广泛应用于各类小功率电子设备，特别是要求无隔离电源的特殊电子设备中。

然而，当传统电容降压型直流电源的负载减小甚至是开路时，电源的热耗功率会急剧增加，这不仅需要采用额外的散热措施以保证电路的安全，而且还会导致电源效率严重下降及电能的浪费。这一问题近年来一直没有得到解决，本文对传统电容降压直流电源电路进行改进设计，在保持了电容降压型直流电源结构简单、体积小、重量轻、成本低特点的同时，电路能根据负载的变化动态地调节市电电能输入，使电源表现出很低的热耗功率，且几乎不受负载变化的影响。

1 电容降压原理

电容降压型直流电源的降压原理如图1所示，利用电容在一定频率的交流信号下产生的容抗来限制电路的最大工作电流，电容容抗的计算公式为：

其中，f为交流信号的频率，C为电容值的大小。以我国市电为例，其频率为 50 Hz，电压有效值为 220 V，如果将其加在电容上，1 μF的电容所产生的阻抗约为3 185 Ω，则流过电容的电流为69 mA。

图1 电容降压电路基本原理

如果将一个阻值为 R(R=200 Ω，R＜＜XC)的负载与电容串联，则这个负载上的实际电压为：

可见，电容降压就是将电容与负载串联后接入市电，电容会起到分压的作用，从而降低了负载上所承受的电压，类似于电阻的串联分压，所不同的是电容上的电压和电流的相位角相差90°，故不会产生任何功耗。

传统电容降压直流电源电路如图2所示，采用的是半波整流方式，其中C1为降压电容，根据负载所需电流的大小选取其值。在半波整流方式中，1 μF的电容可以提供34.5 mA的电流，所以C1需要满足：

图2 传统电容降压式半波整流直流电源

C1最高耐压值一般要求大于400 V，并采用金属膜电容。另外，根据：

电路上电时，C1端的电压突变产生很大的瞬态电流，会降低电路其他器件的使用寿命，甚至损坏。R1的作用正是限制这种瞬态大电流。R2为泄放电阻，用于在电路断电之后及时泄放掉电容C1上电荷，提高电源安全性。D1和D2为整流二极管，D3为稳压二极管，其稳压值取决于电源输出电压要求，并注意其最大功率的选取，因为当负载开路时，所有的电流都会流经D3。C2为滤波电容(或储能电容)，可根据输出纹波要求选择适当容量的电解电容。

但是，这种传统的电容降压式直流电源有一个很大的缺点，即不宜用于动态负载场合。假设流过电容C1的电流为IC，流过负载的电流为 IL，电源的输出电压为Vout，则稳压管D3上的功耗PZ为：

可见，当负载电流减小时，D3上功耗会变大，以分担更多的电流。当负载开路时，流过电容C1的所有电流都会全部流过D3，产生大的热耗功率，导致电路损坏或引发火灾。即传统电容降压型直流电源的热耗功率会随着负载的减小而急剧增大。

2 低热耗功率电容降压直流电源设计

图3所示为改进的电容降压型直流电源电路。与图2所示的传统结构相比，增加了一个可控硅（SCR），其最大导通电流大于电路的最大输出电流，最大工作电压大于电路的输出电压，通过适当改进电路结构，无需再考虑稳压管D3的功耗问题。

图3 低热耗功率电容降压型直流电源电路

2.1 工作原理

如图3所示，交流市电在正半周期内通过R1、C1、D1为储能电容C2充电，C2两端的电压差(Vout)逐渐增加。当Vout小于稳压管D3的击穿电压时，流过D3的电流很小，不能触发可控硅导通；当Vout大于D3的击穿电压时，流过D3的电流会快速上升，从而触发可控硅导通，这样C2便不会被继续充电，以限制Vout继续升高。电路中的可控硅器件相当于一个水流开关，C2相当于一个盛水容器，容器里的水位相当于Vout，水流开关根据容器里的水位高低决定是否向容器中注水。当容器的水位低于Vout时，便打开水流开关向容器中注水，当水位高于Vout便关闭水流开关停止注水，这样便可以保证容器里水位(Vout)的稳定。

由此可以看出，改进结构可以根据电源输出动态地调节注入储能电容C2的电能。所以无论负载如何变化，不需要消耗多余的电能，其热耗功率都非常小。而传统电容降压型直流电源则因为没有这一功能，导致当注入的电能并未被全部输出（被负载消耗）时，多余的电能就会被电源自身转化成热能的形式予以消耗，并由图2中的稳压管D3担负。尤其是在负载很小或者开路时，传统结构的电源热耗功率很大。

2.2 输出电压和最大输出电流

假设电源输入电压的有效值为Vin，整流二极管D1的正向压降为 VD1，稳压二极管 D3的稳压值为 VZ，限流电容值为C1，那么Vout和Iout可以表达为：

只要选取不同稳压值VZ的稳压管就可以得到不同的输出电压Vout，然后再根据Vout和Vin的值选取不同容量的限流电容C1，就可以得到需要的最大输出电流Iout。所以，本文提出的电源具有很强的通用性。

2.3 特性分析

实验中取 C1为 2 μF，D3的稳压值为 30 V，C2为220 μF，电源输入为 220 V/50 Hz的交流市电。图4所示为电源输出电压Vout和输出电流Iout之间的关系。在给定的参数下，当输出电流小于60 mA时，电源表现出良好的恒压源特性；当输出电流超过60 mA后，输出电压会急剧下降。所以，在实际电路中要根据负载需要的最大电流来选择适量的限流电容值，最好留有一定的余量。

图4 输出电压和输出电流间的关系

图5所示是传统电容降压式直流电源的输入功率Pin（电网消耗功率）与输出功率Pout（负载消耗功率）与负载变化的关系，而图6显示了本文设计的直流电源的Pin与Pout随负载变化的曲线。可以发现，对于传统电容降压式直流电源，其输入功率始终都保持在较高的水平，这意味着电源负载减小或空载时热耗功率会急剧增加。而采用改进结构的电源，其输入功率对输出功率的变化具有动态响应特性，这可以极大地减少轻载或空载时电源的热耗功率，使电源更加高效节能。

图5 传统电源耗散功率和电源输出功率

图6 本文电源的耗散功率与电源输出功率

为了更加直观地说明本文改进设计相对传统的电容降压型直流电源的优点，根据电源热耗功率与电源输入输出功率之间的关系：

得到两种电源的热耗功率与电源输出功率之间关系的对比，如图7所示。可以看出，改进电源热耗功率几乎不随输出功率的变化而变化，并保持在极低的水平。

图7 与传统电容降压型直流电源热耗功率对比

本文通过在传统的电容降压型直流电源电路中引入可控硅调控机制，并适当改进电路结构，设计出一种热耗功率极低，且对负载变化有良好适应特性的电容降压型直流电源。通过选择稳压管参数满足所需要的输出电压要求。电源在保持结构简单、体积小、重量轻、成本低的特点基础上，实现高效节能。可广泛用于要求无隔离、低热耗、动态负载适应性强的小功率的电子设备中。目前用于智能电气监控模块设计中，实测结果表明电源性能表现良好。

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