降壓電路

降壓電路簡介

　　當電流通過用電設備后（電阻），其設備兩端產生的電位差（電勢差）稱其為電壓降。

　　電流通過導體（或用電器）的時候，會受到一定的阻力，但在電壓的作用下，電流能夠克服這種阻力順利通過導體（或用電器），但遺憾的是，流過串聯電阻（或用電器）后，電位（電勢）再也沒有以前那么高了，它的電位（電勢）下降了。而且電阻越大，它兩端電位（電勢）的變化就越大。

　　所以，把電流流過電阻（或用電器）時，在電阻（或用電器）兩端產生的電勢降低的多少，叫做“電壓降”。

降壓電路百科

　　當電流通過用電設備后（電阻），其設備兩端產生的電位差（電勢差）稱其為電壓降。

　　電流通過導體（或用電器）的時候，會受到一定的阻力，但在電壓的作用下，電流能夠克服這種阻力順利通過導體（或用電器），但遺憾的是，流過串聯電阻（或用電器）后，電位（電勢）再也沒有以前那么高了，它的電位（電勢）下降了。而且電阻越大，它兩端電位（電勢）的變化就越大。

　　所以，把電流流過電阻（或用電器）時，在電阻（或用電器）兩端產生的電勢降低的多少，叫做“電壓降”。

　　幾個實用電路阻容降壓原理

　　將交流市電轉換為低壓直流的常規方法是采用變壓器降壓后再整流濾波，當受體積和成本等因素的限制時，最簡單實用的方法就是采用電容降壓式電源。

　　采用電容降壓時應注意以下幾點：

　　1 根據負載的電流大小和交流電的工作頻率選取適當的電容，而不是依據負載的電壓和功率。

　　2 限流電容必須采用無極性電容，絕對不能采用電解電容。而且電容的耐壓須在400V以上。最理想的電容為鐵殼油浸電容。

　　3 電容降壓不能用于大功率條件，因為不安全。

　　4 電容降壓不適合動態負載條件。

　　5 同樣，電容降壓不適合容性和感性負載。

　　6 當需要直流工作時，盡量采用半波整流。不建議采用橋式整流。而且要滿足恒定負載的條件。

　　電路一，

　　這一類的電路通常用于低成本取得非隔離的小電流電源。它的輸出電壓通?？稍趲追饺龓资?，取決于所使用的齊納穩壓管。所能提供的電流大小正比于限流電容容量。采用半波整流時，每微法電容可得到電流（平均值）為：（國際標準單位）

　　I（AV）=0.44*V/Zc=0.44*220*2*Pi*f*C

　　=0.44*220*2*3.14*50*C=30000C

　　=30000*0.000001=0.03A=30mA

　　如果采用全波整流可得到雙倍的電流（平均值）為：

　　I（AV）=0.89*V/Zc=0.89*220*2*Pi*f*C

　　=0.89*220*2*3.14*50*C=60000C

　　=60000*0.000001=0.06A=60mA

　　一般地，此類電路全波整流雖電流稍大，但是因為浮地，穩定性和安全性要比半波整流型更差，所以用的更少。

　　使用這種電路時，需要注意以下事項：

　　1、未和220V交流高壓隔離，請注意安全，嚴防觸電！

　　2、限流電容須接于火線，耐壓要足夠大（大于400V），并加串防浪涌沖擊兼保險電阻和并放電電阻。

　　3、注意齊納管功耗，嚴禁齊納管斷開運行。

　　電路二，

　　最簡單的電容降壓直流供電電路及其等效電路如圖1，C1為降壓電容，一般為0.33~3.3uF。假設C1=2uF，其容抗XCL=1/（2PI*fC1）=1592。由于整流管的導通電阻只有幾歐姆，穩壓管VS的動態電阻為10歐姆左右，限流電阻R1及負載電阻RL一般為100~200，而濾波電容一般為100uF~1000uF，其容抗非常小，可以忽略。若用R代表除C1以外所有元器件的等效電阻，可以畫出圖的交流等效電路。同時滿足了XC1》R的條件，所以可以畫出電壓向量由于R甚小于XC1，R上的壓降VR也遠小于C1上的壓降，所以VC1與電源電壓V近似相等，即VC1=V。根據電工原理可知：整流后的直流電流平均值Id，與交流電平均值I的關系為Id=V/XC1。若C1以uF為單位，則Id為毫安單位，對于22V，50赫茲交流電來說，可得到Id=0.62C1。

　　由此可以得出以下兩個結論：（1）在使用電源變壓器作整流電源時，當電路中各項參數確定以后，輸出電壓是恒定的，而輸出電流Id則隨負載增減而變化；（2）使用電容降壓作整流電路時，由于Id=0.62C1，可以看出，Id與C1成正比，即C1確定以后，輸出電流Id是恒定的，而輸出直流電壓卻隨負載電阻RL大小不同在一定范圍內變化。RL越小輸出電壓越低，RL越大輸出電壓也越高。C1取值大小應根據負載電流來選擇，比如負載電路需要9V工作電壓，負載平均電流為75毫安，由于Id=0.62C1，可以算得C1=1.2uF?？紤]到穩壓管VD5的的損耗，C1可以取1.5uF，此時電源實際提供的電流為Id=93毫安。

　　穩壓管的穩壓值應等于負載電路的工作電壓，其穩定電流的選擇也非常重要。由于電容降壓電源提供的的是恒定電流，近似為恒流源，因此一般不怕負載短路，但是當負載完全開路時，R1及VD5回路中將通過全部的93毫安電流，所以VD5的最大穩定電流應該取100毫安為宜。由于RL與VD5并聯，在保證RL取用75毫安工作電流的同時，尚有18毫安電流通過VD5，所以其最小穩定電流不得大于18毫安，否則將失去穩壓作用。

　　限流電阻取值不能太大，否則會增加電能損耗，同時也會增加C2的耐壓要求。如果是R1=100歐姆，R1上的壓降為9.3V，則損耗為0.86瓦，可以取100歐姆1瓦的電阻。

　　濾波電容一般取100微法到1000微法，但要注意其耐亞的選擇。前已述及，負載電壓為9V，R1上的壓降為9.3V，總降壓為18.3V，考慮到留有一定的余量，因此C2耐壓取25V以上為好。

　　電路三，

　　如圖-1，C1 為降壓電容器，D2 為半波整流二極管，D1 在市電的負半周時給C1 提供放電

　　回路，D3 是穩壓二極管R1 為關斷電源后C1 的電荷泄放電阻。在實際應用時常常采用的是圖-2的所示的電路。當需要向負載提供較大的電流時，可采用圖-3 所示的橋式整流電路。整流后未經穩壓的直流電壓一般會高于30 伏，并且會隨負載電流的變化發生很大的波動，這是因為此類電源內阻很大的緣故所致，故不適合大電流供電的應用場合。

　　器件選擇

　　1.電路設計時，應先測定負載電流的準確值，然后參考示例來選擇降壓電容器的容量。因為通過降壓電容C1 向負載提供的電流Io，實際上是流過C1 的充放電電流Ic。C1 容量越大，容抗Xc 越小，則流經C1 的充、放電電流越大。當負載電流Io 小于C1 的充放電電流時，多余的電流就會流過穩壓管，若穩壓管的最大允許電流Idmax 小于Ic-Io 時易造成穩壓管燒毀。

　　2.為保證C1 可*工作，其耐壓選擇應大于兩倍的電源電壓。

　　3.泄放電阻R1 的選擇必須保證在要求的時間內泄放掉C1 上的電荷。

　　設計舉例

　　圖-2 中，已知C1 為0.33μF，交流輸入為220V/50Hz，求電路能供給負載的最大電流。

　　C1 在電路中的容抗Xc 為：

　　Xc=1 /（2 πf C）= 1/（2*3.14*50*0.33*10-6）= 9.65K

　　流過電容器C1 的充電電流（Ic）為：

　　Ic = U / Xc = 220 / 9.65 = 22mA。

　　通常降壓電容C1 的容量C 與負載電流Io 的關系可近似認為：C=14.5 I，其中C 的容量單位是μF，Io 的單位是A。

　　電容降壓式電源是一種非隔離電源，在應用上要特別注意隔離，防止觸電。

　　整流后未經穩壓的直流電壓一般會高于30伏，并且會隨負載電流的變化發生很大的波動，這是因為此類電源內阻很大的緣故所致，故不適合大電流供電的應用場合。

　　電容降壓式電源是一種非隔離電源，在應用上要特別注意隔離，防止觸電

　　電容降壓的工作原理并不復雜。他的工作原理是利用電容在一定的交流信號頻率下產生的容抗來限制最大工作電流。例如，在50Hz的工頻條件下，一個1uF的電容所產生的容抗約為3180歐姆。當220V的交流電壓加在電容器的兩端，則流過電容的最大電流約為70mA.雖然流過電容的電流有70mA，但在電容器上并不產生功耗，應為如果電容是一個理想電容，則流過電容的電流為虛部電流，它所作的功為無功功率。根據這個特點，我們如果在一個1uF的電容器上再串聯一個阻性元件，則阻性元件兩端所得到的電壓和它所產生的功耗完全取決于這個阻性元件的特性。例如，我們將一個110V/8W的燈泡與一個1uF的電容串聯，在接到220V/50Hz的交流電壓上，燈泡被點亮，發出正常的亮度而不會被燒毀。因為110V/8W的燈泡所需的電流為8W/110V=72mA，它與1uF電容所產生的限流特性相吻合。同理，我們也可以將5W/65V的燈泡與1uF電容串聯接到220V/50Hz的交流電上，燈泡同樣會被點亮，而不會被燒毀。因為5W/65V的燈泡的工作電流也約為70mA.因此，電容降壓實際上是利用容抗限流。而電容器實際上起到一個限制電流和動態分配電容器和負載兩端電壓的角色。

　　降壓型DC-DC電路的工作原理

　　降壓電路是BUCK電路，開關S閉合的時候，VD二極管承受負壓關斷，電感充電，電流正向流動，電流值呈現指數上升趨勢。開關S斷開的時候，VD二極管起續流作用，電感開始放電，電流逐漸下降，通過負載和二極管回到電感另外一端，短暫供電。這樣電壓就能降低。實際使用的時候，S開關是通過MOSFE或者IGBT實現的，輸出電壓等于輸入電壓乘以PWM波的占空比。

　　圖1 降壓變換器原理圖

　　開關電源總的來分有隔離型和非隔離型電路。所謂非隔離型電路是根據電路形式的不同，可以分為降壓型buck電路、升壓Boost型電路、升降壓Buck-Boost型電路、Cuk型丘克電路、Sepic型電路、Zeta型電路。我們這里主要分析降壓型DC-DC轉換器的工作原理，Buck電路如圖1所示。圖中功率MOSFET為開關調整元件，它的導通與關斷由控制電路決定;L和C為濾波元件;開關截止時，二極管VD可保持輸出電流連續，所以通常稱為續流二極管?？刂齐娐份敵鲂盘柺归_關管VT導通時，濾波電感L中的電流逐漸增加，因此貯能也逐漸增大，電容器C開始充電。忽略MOSFET的導通壓降，MOSFET源極電壓應為Uin。

　　基于TL494單端降壓DC-DC轉換器的設計，采用電流連續模式（CCM）工作。開關電源工作在CCM時，一個周期內，開關管導通時間為DT，Ii的上升量為［（Uin-Uo）*DT］/L;開關關斷時間為（1-D）T，則Ii的下降量為［Uo*（1-D）T］/L。在穩定狀態下，由上表面非隔離型電路推導的兩個工作原理得IL在每個周期的末尾和開始必須相等，因此：

　　于是占空比D與Uin、Uo的關系如下：

　　CMM降壓型開關電源的主要波形。負載電流Io的關系可按每個周期下，IL向負載傳送的電荷與Io在同時間下得到的電荷相等。

　　DC/DC轉換器電路的各種特性（效率、紋波、負載瞬態響應等）可根據外設元件的變更而變更，盡量在各種制約條件下，設計出最接近要求規格的DC/DC轉換器電路。

　　1、DC/DC轉換的基本工作原理

　　最基本的基本型DC/DC轉換器電路為升壓和降壓電路。

　　1）、升壓電路

　　FET為ON時的電路圖

　　在FET為ON的時間里在L積蓄電流能。虛線表示的電流路徑雖是微小的漏電流，但會使輕負載的效率變差。

　　FET為OFF時的電路圖

　　在FET為OFF時，L要保持OFF前的電流值，相當于在輸入回路增加了一個“電源”。由于線圈的左端被強制性固定于VIN，因此輸出VOUT的電壓要大于VIN，即升壓電路原理。

　　由此，FET的ON時間越長（FET的觸發占空比D越大），L里積蓄的電流能越大，越能獲得電源功率，于是升壓就越高。但是，FET的ON時間太長的話，給輸出側供電的時間就極為短暫，FET為ON時的損失也就增大，變換效率變差。因此，通常要限制占空比的最大值，不超過適宜的占空比D。

　　2）、降壓電路

　　FET為ON時的電路圖

　　在FET為ON的時間里，L積蓄電流能的同時為輸出供電。虛線表示的電流路徑雖是微小的漏電流，但會使輕負載的效率變差。

　　FET為OFF時的電路圖

　　在FET為OFF時，L要保持OFF前的電流值，使SBD為ON。此時，由于線圈的左端被強制性地降到0V以下，VOUT的電壓下降，即降壓電路原理。

　　由此，FET的ON時間長L里積蓄的電流能越大，越能獲得大功率電源，降壓的幅度越小。

　　降壓時，由于FET為ON時也要給輸出供電，所以不需要限制占空比的最大值。

　　2、DC/DC轉換電路的設計要點

　?。?）穩定工作（=不會因異常振動等誤動作、燒損、過電壓而損壞）

　?。?）效率大

　?。?）輸出紋波小

　?。?）負載瞬態響應好

　　這些設計指標可通過變更DC/DC轉換器IC和外設元件得到某種程度的改善。

　　3、開關頻率的選擇

　　DC/DC轉換器IC具備固有的開關頻率，頻率的不同會對各種特性產生影響。

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