摘 要： 為了解決給智能家用電器所用到的ASIC芯片提供穩(wěn)定電源電壓的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出阻容降壓的穩(wěn)壓電路，該電路對(duì)市電進(jìn)行阻容降壓、半波整流、濾波，在穩(wěn)壓電路引入深度電壓負(fù)反饋使輸出電壓穩(wěn)定，該電路具有抗電網(wǎng)干擾和防浪涌功能；經(jīng)過(guò)瞬態(tài)分析后，輸出電壓最終穩(wěn)定在5.085 9 V，與實(shí)際電路測(cè)試結(jié)果5.04 V僅相差0.045 9 V，該穩(wěn)壓電路已成功應(yīng)用于電子產(chǎn)品中。

0 引言

隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)以及信息技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)家電，使家電具備智能化和信息網(wǎng)絡(luò)功能，即智能家電，智能家用電器體現(xiàn)了家用電器最新技術(shù)面貌。另外，智能家電的節(jié)能和環(huán)保功能也成為了智能家電發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。為了實(shí)現(xiàn)智能家電的智能功能，就需要用到實(shí)現(xiàn)這些功能的專用芯片（ASIC），因此給這些專用集成芯片提供電源，成為一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。阻容降壓穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，元件少，制造和使用都較可靠，在家電、照明等行業(yè)大量應(yīng)用[1，2]。

早期穩(wěn)壓電源電路包括：降壓變壓器、整流二極管或整流橋、濾波電容及穩(wěn)壓環(huán)節(jié)組成[3]。由于其消耗有色金屬，體積大，價(jià)格高，安裝不便，為克服這些缺陷，出現(xiàn)了阻容降壓穩(wěn)壓電路。如圖1所示，阻容降壓穩(wěn)壓電路節(jié)省了大體積的變壓器，因此體積、重量及成本都大大降低。

1 阻容降壓穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)與分析

1.1 阻容降壓穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的阻容降壓穩(wěn)壓電路如圖2所示，F(xiàn)use為保險(xiǎn)絲，參數(shù)選取為 1 A/250 V，當(dāng)輸入端流入大電流，保險(xiǎn)絲熔斷，從而保護(hù)阻容降壓穩(wěn)壓電路器件不被損壞。壓敏電阻R0選取14D471K，用來(lái)防浪涌，能夠起到保護(hù)作用；限流電阻R1、泄放電阻R2和限流電容C1構(gòu)成阻容降壓電路；D1半波整流二極管，D2在市電的負(fù)半周時(shí)給C1提供放電回路；D3、R6為初級(jí)穩(wěn)壓電路，R3、C2組成濾波電路，R4、Q1、D4構(gòu)成串聯(lián)穩(wěn)壓電路。

1.2 阻容降壓及整流電路原理及分析

雖然利用變壓器降壓，可以得到穩(wěn)定的電壓與較高的效率，由于變壓器包含繞制線圈，會(huì)占用很大的空間，在實(shí)際布線與安裝時(shí)就會(huì)造成一定的困難；另一方面，對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，利用變壓器降壓，成本也會(huì)增加；阻容降壓的核心元件是一個(gè)電阻和電容并聯(lián)，實(shí)際上就是利用容抗限流。而電容器起到一個(gè)限制電流和動(dòng)態(tài)分配電容器和負(fù)載兩端電壓的角色，限流（降壓）電容器C1一定要選擇耐壓高的，通常要大于兩倍的電源電壓，因?yàn)楫?dāng)阻容降壓電路空載時(shí)，輸出電壓只有三十多伏，市電220 V電壓大部分都加到電容C1上。

電容C1的取值，取決于通過(guò)的電流，當(dāng)電容連接到交流電路中，電容C1的容抗為：

式中，XC1為電容的容抗，f為交流電源的頻率，C1為電容的容量。因此流過(guò)阻容降壓電路的電流為：

當(dāng)采用半波整流時(shí)，由于只有交流電的半個(gè)周期通過(guò)，所以有：

因此在市電220 V電壓下，每微法的電容得到的電流大小為：

。

R2為泄放電阻，當(dāng)正弦波在最大峰值時(shí)刻被切斷時(shí)，電容C1上殘存電荷無(wú)法釋放，會(huì)長(zhǎng)久存在，如果人體接觸到C1的金屬部分，就會(huì)有強(qiáng)烈的觸電可能，而電阻R2的存在，能夠?qū)埓娴碾姾尚狗诺?，從而保證人、機(jī)安全。泄放電阻的阻值和電容的大小有關(guān)，一般電容的容量越大，殘存的電荷越多，泄放電阻的阻值就要選小一些的。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

D1為半波整流二極管，雖然半波整流效率僅是全波整流的一半，但不推薦使用橋式整流，因?yàn)樵陔娐分锌傁Ｍ麄€(gè)電路只有一個(gè)公共參考點(diǎn)即接地點(diǎn)。當(dāng)采用阻容降壓方式進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換時(shí)，如果采用橋式整流，在交流端和直流端不可能只有一個(gè)公共參考點(diǎn)，當(dāng)交流端的零線和火線反接時(shí)，直流端的參考點(diǎn)可能會(huì)帶電，因此這種做法不安全。當(dāng)采用半波整流時(shí)，可以保證交直流端的參考點(diǎn)都接到交流端的零線上，在電路調(diào)試時(shí)可以保證相對(duì)安全一些，這非常重要，因此使用半波整流電路。

對(duì)于半波整流二極管的選擇，因?yàn)橐紤]到電網(wǎng)電壓有正負(fù)10%的波動(dòng)，因此整流二極管的最大平均電流IF和最高反向工作電壓URM也應(yīng)至少保留10%的余地，從而保證二極管安全工作，即選取：

其中U和RL為阻容降壓后的輸出電壓和電路負(fù)載。

1.3 穩(wěn)壓電路分析

本文所設(shè)計(jì)的初級(jí)穩(wěn)壓電路模型如圖3所示，在圖3中，R為限流電阻，rZ為穩(wěn)壓管的內(nèi)阻，RL為等效負(fù)載。

在初級(jí)穩(wěn)壓電路中，利用穩(wěn)壓管的電流調(diào)節(jié)作用，通過(guò)限流電阻R上電壓或電流的變化進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。該電路的穩(wěn)壓系數(shù)Sr。當(dāng)RL為常數(shù)時(shí)。

為使Sr數(shù)值小，需增大R；但在Uo和負(fù)載電流確定的情況下，若R的取值大，則Ui的取值也會(huì)變大，這樣導(dǎo)致Sr變大。因此初級(jí)穩(wěn)壓電路的Sr值一般在0.01左右，初級(jí)穩(wěn)壓后輸出電壓的紋波系數(shù)比較大，因此初級(jí)穩(wěn)壓性能較差。

初級(jí)穩(wěn)壓后輸出的紋波系數(shù)較大，不能滿足后級(jí)芯片輸入電壓的要求，引入串聯(lián)穩(wěn)壓電路，如圖4所示，該電路中引入深度電壓負(fù)反饋使輸出電壓穩(wěn)定，達(dá)到輸出電壓Uo在Ui變化或負(fù)載電阻RL變化時(shí)，輸出電壓基本不變。

對(duì)于圖4所示的串聯(lián)穩(wěn)壓電路，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起Ui增大，或負(fù)載電阻RL增大時(shí)，輸出電壓Uo將隨著增大，晶體管T發(fā)射極電位UE升高；由于穩(wěn)壓管DZ端電壓保持不變，晶體管T的UBE減小，晶體管基極電流Ib減小，發(fā)射極電流Ie也減小，從而使Uo減?。划?dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起Ui減小，或負(fù)載電阻RL減小時(shí)，輸出電壓Uo將隨著減小，晶體管T發(fā)射極電位UE降低；由于穩(wěn)壓管DZ端電壓保持不變，晶體管T的UBE增加，晶體管基極電流Ib增大，發(fā)射極電流Ie也增大，從而使Uo增大；因此可以保持輸出電壓Uo保持不變。

2 電路仿真和測(cè)試

本文采用NI公司的Multisim軟件對(duì)阻容降壓的穩(wěn)壓電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。圖5～圖7為整個(gè)阻容降壓穩(wěn)壓電路的瞬態(tài)分析仿真結(jié)果，瞬態(tài)分析掃描時(shí)間為1.5 s。圖5為市電220 V經(jīng)阻容降壓和半波整流后的輸出電壓仿真波形，可以看出輸出電壓的紋波比較大，交流分量大（即脈動(dòng)大）；并且會(huì)隨負(fù)載電流的變化發(fā)生很大的波動(dòng)，因此只適用于對(duì)脈動(dòng)要求不高的場(chǎng)合。圖6為初級(jí)穩(wěn)壓輸出的仿真圖，可以看出，經(jīng)過(guò)初級(jí)穩(wěn)壓后，電壓紋波變小，但穩(wěn)壓系數(shù)仍較大，電壓穩(wěn)定在24 V左右，僅能滿足對(duì)穩(wěn)壓性能要求不高的場(chǎng)合。圖7為阻容降壓穩(wěn)壓電路最終輸出電壓仿真情況，穩(wěn)壓電路輸出電壓紋波消失，輸出電壓最終穩(wěn)定在5.085 9 V，同時(shí)該阻容降壓穩(wěn)壓電路的從上電到穩(wěn)壓的時(shí)間約為241.706 2 ms，滿足高性能電路的穩(wěn)壓需要。

根據(jù)阻容降壓穩(wěn)壓電路的原理圖2，實(shí)際的阻容降壓穩(wěn)壓電路的測(cè)試結(jié)果如圖8所示，圖8(a)為電路上電瞬間的輸出波形，由于電路從上電到穩(wěn)壓的時(shí)間很短，所以波形很陡。圖8(b)為最終穩(wěn)壓電路的輸出電壓，輸出穩(wěn)壓的平均值為5.04 V，最大值為5.12 V，最小值為4.96 V，與穩(wěn)壓電路仿真結(jié)果5.085 9 V僅相差0.045 9 V，因此穩(wěn)壓性能很好，滿足對(duì)輸入電壓為5 V專用芯片（ASIC）供電要求。

3 結(jié)論

本文介紹阻容降壓穩(wěn)壓電路的基本原理，設(shè)計(jì)出實(shí)用的穩(wěn)壓電路，通過(guò)具體的仿真分析和對(duì)實(shí)際電路的測(cè)試，結(jié)果表明該阻容降壓穩(wěn)壓電路能夠輸出穩(wěn)定電壓為5.04 V；與仿真分析的理想數(shù)值僅相差0.045 9 V，同時(shí)，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本比較低，工作性能良好，可靠性高，在輸入電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度等參數(shù)發(fā)生變化時(shí)仍能保持輸出電壓恒定，能為ASIC芯片提供穩(wěn)定電源電壓，目前該阻容降壓穩(wěn)壓電路已經(jīng)廣泛應(yīng)用于具體電子產(chǎn)品中。

參考文獻(xiàn)

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