一種低熱耗功率的電容降壓型直流電源

目前，從220 V市電直接獲得小容量低壓電源的方法主要包括：利用電阻和穩(wěn)壓二極管組成簡易穩(wěn)壓電源；使用小容量變壓器降壓[1-3]；通過小型開關(guān)變換器[4-7]和使用高壓電容和穩(wěn)壓二極管組成電容降壓型穩(wěn)壓電源[8-10]。其中，普通線性穩(wěn)壓電源效率比較低，電源的變壓器體積大、重量大、成本較高，且開關(guān)電源結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電源紋波較大，成本高。電容降壓型直流電源具有無隔離、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類小功率電子設(shè)備，特別是要求無隔離電源的特殊電子設(shè)備中。
然而，當(dāng)傳統(tǒng)電容降壓型直流電源的負(fù)載減小甚至是開路時，電源的熱耗功率會急劇增加，這不僅需要采用額外的散熱措施以保證電路的安全，而且還會導(dǎo)致電源效率嚴(yán)重下降及電能的浪費(fèi)。這一問題近年來一直沒有得到解決，本文對傳統(tǒng)電容降壓直流電源電路進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在保持了電容降壓型直流電源結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、成本低特點(diǎn)的同時，電路能根據(jù)負(fù)載的變化動態(tài)地調(diào)節(jié)市電電能輸入，使電源表現(xiàn)出很低的熱耗功率，且?guī)缀醪皇茇?fù)載變化的影響。

只要選取不同穩(wěn)壓值VZ的穩(wěn)壓管就可以得到不同的輸出電壓Vout，然后再根據(jù)Vout和Vin的值選取不同容量的限流電容C1，就可以得到需要的最大輸出電流Iout。所以，本文提出的電源具有很強(qiáng)的通用性。
2.3 特性分析
實(shí)驗(yàn)中取C1為2μF，D3的穩(wěn)壓值為30 V，C2為220μF，電源輸入為220 V/50 Hz的交流市電。圖4所示為電源輸出電壓Vout和輸出電流Iout之間的關(guān)系。在給定的參數(shù)下，當(dāng)輸出電流小于60 mA時，電源表現(xiàn)出良好的恒壓源特性；當(dāng)輸出電流超過60 mA后，輸出電壓會急劇下降。所以，在實(shí)際電路中要根據(jù)負(fù)載需要的最大電流來選擇適量的限流電容值，最好留有一定的余量。

圖5所示是傳統(tǒng)電容降壓式直流電源的輸入功率Pin（電網(wǎng)消耗功率）與輸出功率Pout（負(fù)載消耗功率）與負(fù)載變化的關(guān)系，而圖6顯示了本文設(shè)計(jì)的直流電源的Pin與Pout隨負(fù)載變化的曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，對于傳統(tǒng)電容降壓式直流電源，其輸入功率始終都保持在較高的水平，這意味著電源負(fù)載減小或空載時熱耗功率會急劇增加。而采用改進(jìn)結(jié)構(gòu)的電源，其輸入功率對輸出功率的變化具有動態(tài)響應(yīng)特性，這可以極大地減少輕載或空載時電源的熱耗功率，使電源更加高效節(jié)能。

得到兩種電源的熱耗功率與電源輸出功率之間關(guān)系的對比，如圖7所示?？梢钥闯?，改進(jìn)電源熱耗功率幾乎不隨輸出功率的變化而變化，并保持在極低的水平。

本文通過在傳統(tǒng)的電容降壓型直流電源電路中引入可控硅調(diào)控機(jī)制，并適當(dāng)改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出一種熱耗功率極低，且對負(fù)載變化有良好適應(yīng)特性的電容降壓型直流電源。通過選擇穩(wěn)壓管參數(shù)滿足所需要的輸出電壓要求。電源在保持結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、成本低的特點(diǎn)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。可廣泛用于要求無隔離、低熱耗、動態(tài)負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)的小功率的電子設(shè)備中。目前用于智能電氣監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)中，實(shí)測結(jié)果表明電源性能表現(xiàn)良好。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉建，高振鈴.直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報，2008，12(4)：69-71.
[2] 王聰敏，李少娟，林艷紅，等.直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)[J].西安郵電學(xué)院學(xué)報，2011，16(1)：103-105.
[3] 劉夢成.交流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)[J].天津理工大學(xué)學(xué)報，2012，28(4)：28-31.
[4] 李文，雷虹，馮進(jìn)軍，等.小型高效小功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2006，40(5)：110-111，142.
[5] 陳富軍，衡耀付，季鋼.新型開關(guān)穩(wěn)壓電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].河南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，40(4)：357-360.
[6] Ou Shengyuan，HSIAO H P.Analysis and design of a novel single-stage switching power supply with half-bridge topology[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26(11)：3230-3241.
[7] Wang Jianping，Lu Shan，Wu Huanhuan，et al.Design and implementation of switching power supply for wheeled" style="color: rgb(229, 0, 20); text-decoration: none; font-weight: bold; ">ledmobile robot[C].2010 International Conference on Electrical and Control Engineering，2010，10(11)：3543-3545.
[8] 金永鎬，金海山.基于電解電容降壓的小容量直流穩(wěn)壓電源[J].信息技術(shù)，2006，19(10)：65-67.
[9] 王智昊，王志強(qiáng).一種新穎的電容降壓型直流穩(wěn)壓輔助電源[J].電源世界，2004，23(11)：26-28.
[10] 趙軍芳.一種小型直流電源的可靠設(shè)計(jì)[J].儀器儀表用戶，2003，10(2)：49-50.