電容降壓式電源變換器設計與計算詳解

傅璐璐，趙 洪 ，許增信，劉禮進

（1.麗水職業技術學院，浙江 麗水 323000；2.浙江華鑫起重機械有限公司，浙江 松陽 323004）

0 引 言

電源降壓變換電路是最常見的電路結構，運用電容對交流電的電抗作用實現對電源電路的降壓變換，具有成本低和體積小等優點[1]，在小功率電源電路中應用十分廣泛。電容降壓電路從本質上說是利用電容對交流電產生的電抗阻礙電流的通過，實現降壓。實踐中，部分廠家在電路設計存在缺陷，導致因輸出電壓不穩定而損壞設備。如何準確設計電容降壓式電路，確保應用電路的可靠與穩定是電路成功設計的關鍵。

1 串聯與并聯式穩壓電路的區別

為了理解電容降壓式電源變換電路原理，首先要區分串聯穩壓電路與并聯式穩壓電路在工作原理上的區別[1]。如圖1和圖2所示。圖中Rs為調整電阻、RL為負載電阻、R1為串聯降壓電阻。

圖2 并聯式穩壓電路原理簡圖

1.1 串聯穩壓電路

圖1為串聯穩壓電路的原始模型，根據基本定律可知:

圖1 串聯式穩壓電路原理簡圖

又因為：

所以：

電路有兩個參數的變化會引起輸出電壓U0發生變化，一是負載RL變化，二是輸入電壓Ui變化。設計時，不管哪一種變化都可以通過改變串聯電阻RS的大小，使電壓降U1發生變化。改變兩個串聯電阻的分壓比，可以保證負載電阻RL上的輸出電壓始終為設定值，實現輸出電壓的穩定。由于調整電阻RS與負載電阻RL串聯，故叫串聯式穩壓電路，從本質上說串聯式穩壓電路是靠調整電阻上電壓降的大小，改變電路的分壓比來實現輸出電壓的穩定。

穩壓電路具體調節過程有以下兩種情況。一是負載發生改變，輸入輸出電壓保持恒定不變，負載所需的輸出電流IL減小，則相當于負載等效電阻增大，具體穩壓過程為：RL↑→U0↑→調節Rs↑→IL↓→U0↓輸出電壓回歸恒定，反之也成立。二是輸入電壓上升，導致輸出電壓也隨之升高時，具體穩壓過程為：Ui↑→IL↑→U0↑→調節Rs↑→IL↓→U0↓輸出電壓回歸恒定，反之也成立。

由此可見串聯式穩壓電路主要是通過調節可調電阻回路的分壓作用實現對輸出電壓的調整，確保輸出電壓的恒定。伴隨調節過程電源輸出電流隨負載變化而變化，整體上比較節能。

1.2 并聯穩壓電路

圖2為并聯穩壓電路的原始模型，電路由降壓電阻R1、調整電阻RS與負載電阻RL組成，調整電阻RS與負載電阻RL并聯，稱為并聯式穩壓電路。與串聯式最大的不同是多了一個降壓電阻R1，且該電阻是一個固定電阻，阻值不能隨負載變化而發生改變，與擔任電路調節作用的調整電阻RS并聯。

輸出負載電壓仍為：

根據電路電流定律有：

該電路中由于降壓電阻阻值不能調節，當輸入電壓或負載電阻等參數發生變化時，只能通過調整Rs阻值大小來實現輸出電壓保持不變。即電路參數變化時，調整電阻Rs阻值大小引起調整電阻回路的電流大小變化，使得輸出電壓保持恒定。

并聯穩壓電路具體調節過程同樣有以下兩種。一是當負載發生改變時，輸入電壓保持恒定不變負載所需的輸出電流IL減小，則相當于負載等效電阻增大：RL↑→U0↑→調節Rs↓→IS↑→IL↓→U0↓從而保持了電壓的恒定，反之也成立。二是當輸入電壓上升導致輸出電壓也隨之升高時Ui↑→IL↑→U0↑→調節Rs↓→IS↑→IL↓→U0↓從而保持了電壓的恒定，反之也成立。

由此可見，并聯式穩壓電路通過調節可調電阻回路的分流作用實現對輸出電壓的調整，確保輸出電壓的恒定。調整過程電路總電流并沒有發生變化，電路的總能耗也沒有改變，故能耗較大，效率很低，常規電路中較少采用。

2 電容降壓式穩壓電路

圖3 電容降壓穩壓電源原理圖

3 電路計算詳解

電容降壓式穩壓電路的計算雖然并不復雜，但很多設計人員往往沒有掌握電路計算的核心，因此常常發生錯誤。串聯電容降壓的理論基礎是RC串聯交流電路的分析計算，如圖3所示。

根據交流電路基爾霍夫定律：

因為電容器制造技術的原因，目前高耐壓、無極性電容器的容量通常不會太大，故所呈現的交流阻抗較大，電路只適合應用于小電流場合，此類場合下負載電阻R的等效電阻較小，電容容抗遠大于負載阻抗，負載阻抗可以忽略不計[3]。流過電容的電流Ic主要由電容容抗本身決定，并保持基本不變。下面以一個設計案例來詳解其計算過程。

3.1 設計計算所需的原始數據

穩壓電源的設計指標通常取自計算任務書，實際設計過程依據電源所服務的電路對電源的要求來確定。

（1）輸入交流電壓

最大輸入電壓UMAX：電路工作時從電網輸入的最大電壓值；

最低輸入電壓UMIN：電路工作時從電網輸入的最低電壓值；

交流電源頻率f：電網工作頻率，我國法定工頻為50 Hz。

（2）穩定電源輸出參數

輸出穩定電壓UO：電路要求的輸出額定電壓值；

最大輸出電流IMAX：電源電路工作能達到的最大輸出電流；

最小輸出電流IMIN：電源電路工作時所需在最小電流，該電流值可以為零，但此時電路的調節回路要求會增大，提高了電路成本。

3.2 設計案例計算過程詳解

設計案例：某電源原始設計參數為輸入工頻電壓為220 V±10%，輸出直流電壓為12 V，輸出最大電流I0MAX=50 mA，輸出最小電流I0MIN=0（空載）。

（1）降壓電容器工作電流IC的確定

電路的總電流為流過降壓電容的電流Ic，后續分解為輸出電流I0與調節回路電流IS；當輸出電流達到最大值I0MAX時，調節回路的電流為最小值ISMIN，反之當輸出電流為最小值I0MIN時，調節回路電流達到最大值ISMAX，為了保證調壓效果調節回路最小電流值ISMIN應保證調整回路始終工作在放大狀態，預估值可取最大輸出電流的10%～30%，且不小于5 mA較為合適[4]。

本例取ISMIN=10 mA，取值主要考慮所用調整管工作在放大狀態時的最小工作電流與管子最大集電極允許電流。

取降壓電容電流：IC=ISMIN+IMAX=10+50=60 mA

（2）計算降壓電容容抗XC

電容容抗應滿足當輸入電壓為最低值UMIN時，通過電容的電流IC滿足電源輸出最大電流I0MAX的要求；

4 工程電路詳細設計

圖4為本案例設計的工程電路，圖中電容C0為降壓電容，當電流通過時產生電壓降在電路中起到串聯降壓作用，與之并聯的電阻R0為電容C0提供一條釋放回路，當電源關閉時，C0上的電荷通過R0泄放，避免接觸到電源輸入端因C0所帶電荷而引起誤傷[5]。

圖4 電容降壓穩壓電源原理圖

V1～V4構成橋式整流電路將交流電整流成脈動直流電，電路為并聯式穩壓電路，電容C0中始終有電流通過起到降壓作用，整流管只承受輸出低壓部分的反向電壓，這對整流管的反向耐壓要求很低。本例只需反向耐壓大于12 V就足夠了，正向整流電流大于等于IC，綜合考慮器件的來源與成本，選用最常用的整流二極管1N4001。

VD為穩壓二極管提供調整通路，其穩壓值UZ即為電路變換后的穩定輸出電壓U0，最大穩壓電流大于降壓電容通過的最大電流即可，選擇1N4742/A穩壓管，額定穩壓值12 V最大穩壓電流75 mA符合電路要求。

當輸出電流較大難以找到大功率穩壓管時，可以運用三極管代替大功率穩壓管實現穩壓，圖5就是運用三極管作為調整元件的電容降壓式穩壓電路。

圖5 電容降壓式穩壓電路

調整電路由三極管V1、V2組成復合管擔任調整任務，由于三極管功率較大所以可以通過較大的電流。V1基極電位VB1由二只三極管的發射結電壓串聯組成約為1.4 V左右，R1、R2組成分壓電路，分壓后R2兩端電壓作為基準采樣電壓，當電壓上升時，三極管的基流增加導致集電極電流上升，使得電容電抗壓降上升，調整輸出電壓回到穩定值，其它元件工作原理與圖3相同。

5 應用局限

電容降壓式穩壓電路的應用局限主要有以下幾方面。一是因為電容器無法實現電氣隔離作用，故此類電源變換器沒有電氣隔離，只能用于熱底板電氣線路，實際應用中要特別注意電氣安全，電容應接在相線上。二是電容器制造工藝問題，大容量電容器體積大、價格高，故只能用于小電流場合，建議輸出電流不超過100 mA的場合應用為佳。三是在電網功率因素呈感性且較低的企業可以結合功率因素提升應用可以大大降低企業成本。

6 結 論

通過上述分析，明確了電容降壓式穩壓電路實際上是一種并聯式穩壓電路，由于電容容抗對交流電并不耗能，故該電路能耗低，在特小功率電源變換中有較好的應用市場。筆者在實際工作過程應用本文介紹的方法設計了許多電源供電電路，經過實際應用證明其具有性能可靠、成本低以及體積小等優點。