小功率直流电源的分析与设计＊

毛景魁

（河南机电高等专科学校，河南 新乡453000）

直流稳压电源是一种常见的电子仪器，应用于电子线路、教学实验等领域［1］。常规的直流稳压电源是利用电源变压器进行降压，当体积和成本等因素受到限制时，最简便实用的方法是采用电容降压式电路进行降压，与电源变压器降压相比，电容降压具有电源体积小、经济、可靠、效率高等优点［2］。电容降压式直流电源的电路原理如图1所示。

图1 电容降压式直流电源

图1中，电容C1用于降压，电阻R1主要用于断电时的电容放电。电路采用桥式整流结构，电容C2用于滤波，使输出电压波形比较平稳，J1为交流电输入接口。从图1可以看出，电容降压式直流电源仅使用电容C1、整流桥D1即可完成交流到直流、高压到低压的转换，简单易行，节约成本。

1 电路分析

电容降压式直流电路中，最关键的部件为R1，C1并联的降压通路。从阻抗的角度对此电路进行分析，则此RC并联电路的等效阻抗可以按照式（1）进行计算。

电流经过整流桥后，成为直流电流，其大小和负载上的电流基本相同。也就是说，输出电压的大小取决于负载电阻和输入电流。因此，如果需要对某一负载供电，已知负载的工作电压，则首先需要计算出负载在额定电压下的额定电流IN，然后根据IN计算出限流阻抗模值，从而选定限流电容，并根据电容值选定放电电阻，其计算过程如下：

1）计算IN

式（2）中，U2为负载额定电压；Req为负载额定电压下的等效电阻。

2）计算阻抗模值

由于电容C1的容抗远小于并联的电阻，因此，得出阻抗模值，非常接近于容抗。容抗的计算公式如式（4）所示。

将式（3）、（4）联立，可得电容C1值的计算公式（5）。

3）放电电阻的选择

放电电阻的作用是当系统断电后，为限流电容C1提供一个放电回路，将储存于电容中的电量迅速放掉。根据一阶电路的零输入响应，可知电路的时间常数越小，放电时间越迅速，但如果电路的时间常数非常小，会影响输出。因此，综合考虑，电路的时间常数应满足下列条件：

式中，T为交流电源周期，此处为20ms，Tlim为要求的放电时间。如要求1s放电完毕，则放电时间常数应满足：

因此，根据式（5）、（6）、（7）可以完成小功率电容降压式直流电源的设计和元件选型。

2 电路仿真和实际测试

为了进一步说明问题，以0.5W的直流电源设计为例，对电路仿真和实际测试进行详细说明。首先根据式（5）计算出限流电容C1的参数为0.68u F，并根据式（6）选定R1为560K。根据图1，可以画出仿真电路原理图，如图2所示。改变滤波电容和负载大小进行仿真，观察输出的电压和电流，是否满足负载对电源的要求。

图2 仿真原理图

为了说明输出结果，在仿真时，分别采用几种不同的滤波组合，并观察不同的组合下仿真和实际输出的电压波形，由于负载是电阻，因此，电压波形同时也是电流波形的反映。

1）R2＝300Ω，C2＝47μF

此时，电路的时间常数为τ＝RC＝300×47×10－6s＝14.1ms，此数值小于工频交流电的周期（20ms），输出电压存在波动。根据此参数搭建的电路，其输出电压波形如图3所示。可以看出，输出电压在1V，以0.4V的幅度上下波动，而且输出电压较低，说明本电路的输出能力不足，无法驱动大功率负载。

图3 R2＝300Ω，C2＝47μF时的仿真和实测波形

2）R2＝1KΩ，C2＝470μF

此时，电路时间常数为τ＝RC＝1000×470×10－6＝470（ms），此数值远大于工频电周期，经过一个时间常数的时间后，输出基本稳定，电压波动比较小。经过2倍时间常数后，输出电压稳定在25伏，输出波形如图4所示。可以看出，实际测试的输出电压也稳定在25伏，经过计算，可以得出，负载上消耗的功率在设计功率范围内。

图4 R2＝10KΩ，C2＝47μF时的仿真和实测波形

由上述可以看出，根据负载大小，选择合适的电路参数，不仅可以满足功率输出的要求，而且可以使整流后的波形波动较小，为后续的稳压电路提供了比较稳定的电源输入。

3 输出稳压管电路

从上述仿真和实际测试结果可以看出，无论如何调整RC时间常数，输出电压都有波动。稳定输出电压的方法很多，最常见的方法为采用稳压管。以三端稳压器为例，通过实验测试，在详细分析其输入和输出的基础上，可以得到其功率损耗情况，并据此得到等效电路。

1）测量数据

通过改变负载，测量三端稳压器的输入电压、电流，输出电压和电流，实际测试数据如表1所示。

表1 不同负载时的测量数据

2）等效分析

由表1可以看出，输入和输出电流的差值基本恒定，近似等于空载时的电流。从功率分配的角度来分析，可得公式（8）：

式中，Uin、I0、Uout、I2分别表示输入电压、空载输入电流、输出电压、输出电流。从式（8）可以看出，输入功率分为三部分，分别是空载损耗（静态损耗）UinI0、压降损耗（动态损耗）（Uin－Uout）I2、输出功率UoutI2。分别用符号P0、PΔ和Pout表示，则式（8）可写为：

根据式（9），可得三端稳压器的π形等效电路，如图5所示。

图5 三端稳压器的等效电路

图5中，电阻R0为等效的空载损耗（静态损耗）电阻，可以根据空载电压和电流计算得到。RΔ为动态损耗的等效电阻，其数字不固定，其损耗功率的大小取决于输入和输出的电压差和输出电流值，RL为负载电阻。从图5可以看出，在输入和输出电流差不变的情况下，输入和输出电压差越小，三端稳压器自身的功耗越小。因此，在进行电源限流电容选择时，应使整流后的输出电压不要高于稳压后负载上的电压太多。

4 结束语

采用电容降压、整流、稳压，最后得到直流电源，此种方式简化了电路，降低了成本，缩小了体积，但由于电容的容抗限制，输出电流不能很大，因此，此种方式只能用于对电源功耗率要求比较小的场合，比较适合于生产和生活的小电器，因此此种方式应用广泛。

尽管电容降压式直流电源的优势在于成本低，体积小，但其缺点也很明显，主要是电压没有隔离，完全依靠电容承受高压，如果电容击穿，则后级电路将被损坏，因此，实际设计中必须采用耐压等级高、稳定性较好的CBB电容。

［1］ 刘琳，薛智宏，杨国福.基于AT89C51单片机的智能型稳压电源的设计［J］.江苏电器，2008，（7）：7－9，37.

［2］ 杨海明，杨国志，李锐等.电容降压式电路的设计原理［J］.信息技术，2013，（7）：185－189.

［3］ 刘云清，佟首峰.开关电源的可靠性设计研究［J］.通信电源技术，2007，22，（2）：34－35.

［4］ 王利平，杨德州，贾春蓉，等，一种新型稳压电源的研制［J］.电力电子技术，2009，43，（11）：47－49.

［5］ 贺冬梅，蔡丽娟，几种交流稳压电源主电路拓扑［J］.电测与仪表，2005，8，（8）：1－4.

［6］ 史剑波，何一卿，曹家麟，等，一种新型的交流稳压电源［J］.微计算机信息，2004，7，（20）：108－109.