李美芳

（山西大学 电力工程系，山西 太原 030013）

阻容降压型直流电源的设计与仿真

李美芳

（山西大学 电力工程系，山西 太原 030013）

阻容降压型直流电源以成本低、使用较可靠的特点在智能家电领域广泛应用，常用来为专用集成芯片提供电源。为验证相关特性，通过分析这种直流电源的工作原理和各部分组成，设计了具体电路进行动态仿真试验，并绘制输出U-I曲线，得出：对特定的负载设置阻容降压参数，可以达到稳定输出电压的效果，能作稳压电源使用。

直流电源；阻容降压；串联稳压；PSIM仿真

常用电力电子器件的驱动电路、微型芯片、控制检测等电子设备在工作时都需要小功率直流稳压辅助电源[1-2]。传统的线性直流稳压电源因含工频变压器，笨重、安装不便且功率损耗大[3]；开关电源结构复杂、成本高，存在RFI和EMI干扰等问题[4]。基于阻容降压的直流稳压电源采用高压电容和和稳压二极管组成，结构简单、小巧、呈容性可补偿功率因数，同时具有响应快、运行可靠的优点，在一些不需要隔离的场合，如智能电器、照明和电子产品等领域大量应用[5-6]。

文献[7]介绍了阻容加压的原理，重点对阻容降压电路的稳压性能进行设计和验证，并引出初级稳压和串联稳压电路。文献[8]针对传统的阻容降压型直流电源进行改进，通过引入一个可控硅原件，调整电路结构，解决了这种电源热功耗大，发热的问题。本文在分析阻容降压稳压电路工作原理和组成元件参数选取原则的基础上，总结此电源的特性，然后设计一个具体电路，采用PSIM仿真软件[9-11]进行验证，得出对该电源分析的有效性。

1 阻容降压电路

1.1 工作原理

阻容降压电路的原理就是将电容与负载串联接入市电，如图1所示。C1为降压电容，此电容和电阻组成的并联支路在动态分配电容和负载两端电压的同时，还起到限制电流的作用，所以也称作限流电容。如果视降压电容为一个理想电容，那么流过的无功电流不消耗任何有功，所产生的功耗完全取决于这个与电容串联的阻性元件。阻容降压直流电源一般有5部分组成：降压—整流—滤波—限流—稳压，因为省去了变压器，不仅效率提高，体积、成本都大大降低[12-15]。

图1 阻容降压电路原理图

1）降压电容选择

C1的值取决于它通过的电流，假设负载短路，此时为流过阻容降压电路的最大电流：

采用半波整流输出电压的有效值为：

在市电电压下，1 μF电容得到的电流大小为：

f为电源频率，单位 Hz；C 为电容，单位 F；Ui为输入电源电压，单位V；XC=2πfC为阻抗，阻值单位Ω。如果采用桥式全波整流可得到双倍的电压有效值，那么1 μF电容可得到电流大小为60 mA。

可见在整流方式选定的情况下，提供的电流大小正比于降压电容容量，实际中根据电源可能出现的最大负载电流选择C1值的大小，并留有一定的裕量。C1在实际中常采用具有较高耐压值的无极性金属膜电容，R1为C1的泄放电阻，防止在正弦波峰值时刻切断电源时，对人体触电，一般根据经验数据取值。

2）整流部分

在整流环节，如采用桥式整流电路，可向负载提供较大的电流，但是全波整流是浮地的，当输入零、火线反接时，直流端可能带电；半波整流输出电流是全波的一半，但是可以保证交、直流端有公共的参考点，比较安全。

3）滤波部分

C2是滤波电容，放电时间常数τ=RLC2，τ较大，输出纹波就较小，所以在负载一定的情况下，C2可适当大些。电流小于100 mA时，一般几百μF都能得到满足，滤波电容耐压值选择至少要在输出电压峰值的1.5倍左右。

4）限流电阻

R2是限流电阻，起过流保护作用。

5）稳压环节

在负载对电源电压有要求的情况下，稳压环节是必不可少的，起大电流过温、过流保护作用。常用齐纳二极管或三端稳压器构成初级并联稳压电路，模型如图2所示，利用限流电阻R2上电压或电流的变化进行补偿，通过稳压管的电流调节作用，达到稳压的目的。该电路的稳压系数为Sv，因为rZ远小于R2和 RL，所以：

图2 并联稳压电路模型

在Ui和负载确定的情况下，并联稳压电路增大限流电阻R2，输出电压Uo必然会减小，因此稳压系数Sv一般在0.01左右，此外初级并联稳压电路纹波系数较大，性能差。为了得到更高精度的稳压特性，后级引入串联型稳压电路，如图3所示，该电路基于电压深度负反馈的原理。在市电电压或负载波动时，由于稳压管D两端电压保持不变，串联稳压电路的负反馈情况如下：

图3 串联稳压电路

因此，在Ui和RL在一定范围内变化时，输出电压Uo基本可以保持不变。

1.2 电源特性

1）恒流特性

阻容降压的理论基础是正弦交流电下的RC串联电路，容抗串联分压从而降低负载上所承受的电压，它的戴维宁和诺顿等效电路如图4所示，在电压源两端串联阻抗与恒流源两端并联阻抗等效。为安全起见防止电容电荷对人体放电，降压电容取值较小，电源内阻XC1=1/2πfC1就很大，分流就很小，所以从输出端来看近似恒流输出，可视为一恒流源，不适合应用在大电流供电场合。采用全波整流的降压电容C1和输出电流Io、电压Uo之间的关系经推导见公式（6），由公式可见，电源两端接220 V市电，在降压电容选定后，输出电压只与输出电流有关，欲得到稳定的输出电压，负载必须相对固定，故不适合大范围动态负荷场合，且一般要在滤波后加稳压电路。

图4 戴维宁和诺顿等效电路

2）功率因数补偿特性

从电源输入端分析U-I特性，U1、Ui和电容两端电压UC1之间的相量关系见图5，如果视R2、RL为纯阻性，那么U1⊥UC1，又由于R2、RL远远小于降压电容容抗XC1，相量图中看θ角很小，输入电流Ii超前输入Ui近似90°，仿真验证二者的相位关系亦如此，表明电源的输入阻抗近似呈纯容性，相对于电网中大多数感性负荷而言，这种电源具有功率因数补偿特性。

图 5 U1、Ui、UC1和 Ii相量图

2 仿真研究

2.1 电路设计

根据实际中无极性电容常有的容值选择2.2 μF的降压电容，采用半波整流，那么可提供的最大负载电流可达66 mA。选用20 Ω的限流电阻和100 μF的电解电容滤波后，采用齐纳管构成并联初级稳压电路，但是初级稳压电路的纹波系数较大，为了达到更高精度的稳压特性，后级引入基于电压深度负反馈的串联型稳压电路。欲达到最终5 V的稳压效果，考虑三极管的管压降和导线压降，选择初级12 V稳压管，串联稳压电路5.6 V稳压管，两级稳压电路之间有电解电容滤波。

2.2 仿真分析

文中采用PSIM软件对阻容降压的稳压电路与进行设计和仿真，实际仿真电路如图6所示。设置电压测量单元，Uz为整流后电压，Uw为经初级滤波稳压后的电压，Uo为经串联稳压后最终的输出电压。通过改变负载的大小改变输出电流，分析该电路的输出电压特性。

1）轻载，取 RL=10 kΩ，理论 Io=5/10×103=0.5 mA，Uz、Uw、Uo电压波形曲线如图 7（a）所示：可见，两级稳压输出的电压很快稳定在设定值，只有半波整流后的输出电压存在纹波。

图6 阻容降压型直流电源仿真图

2）正常负载，取 RL=1 kΩ 为代表，Uz、Uw、Uo电压以及输出电流Io波形曲线如图7（b）所示。半波整流后的输出电压纹波比较大，脉动大，并联初级稳压后的电压开始出现较小纹波，仅能满足对稳压性能要求不高的场合，经串联稳压后的最终输出电压纹波消失，同时动态响应时间为58 ms，能满足高性能电路的稳压要求。输入电压Ui和电流Ii的波形如图9所示，可见二者之间的相位关系为Ii超前Ui约90°，表明电源的输入阻抗呈纯容性，具有功率因数补偿特性。

3）过载，取RL=100 Ω，负荷电流接近饱和状态

该电源的负载饱和状态理论上是指最大工作电流，那么临界饱和电阻值为RLmin=5 V/66 mA=75 Ω。仿真结果如图7（c），当负载电流接近饱和状态时，输出电压Uo明显下降，且电压Uo和电流Io都出现波动，不能满足稳压要求，所以这种电源不适合大功率场合。

根据负载连续变化所得一系列的仿真数据，得出所设计阻容降压型直流稳压电源的输出U-I关系曲线如图8所示。由结果可以看出，在负载电流较小到接近饱和这段区间之前，该电源输出电压非常平稳，当负载电流接近甚至超过饱和值时，电压迅速降低，不能稳压，所以说阻容降压电路的负载电流存在最大极限，只适用小功率电源。

图7 电压波形

图8 输出U-I的关系曲线

阻容降压型直流稳压电源实际上利用串联分压的原理，将降压电容和负载电路直接联在220 V市电中，所以整个阻容降压的电路参数由后继负载决定，在使用时注意：根据负载电流大小和工作频率选取适当的降压电容，而不是依赖负载的电压和功率。

3 结 论

文中介绍了阻容降压型直流稳压电源的基本原理和特性，通过对一具体的电路进行仿真分析，结果表明，经串联稳压后的稳压效果好，能满足高性能电路的稳压要求，但是当阻容降压电路的参数选定，负载电流接近饱和值后，将不能实现稳压，所以该电路只能用作小功率供电场合。阻容降压电源结构简单，工作可靠，有利于实现电子设备的小型化提高性价比。

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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稿件编号：201607102

李美芳（1987—），女，山西晋中人，硕士，助教。研究方向：新能源及电能变换。