一种低热耗功率的电容降压型直流电源

   目前，从220 V市电直接获得小容量低压电源的方法主要包括：利用电阻和稳压二极管组成简易稳压电源；使用小容量变压器降压[1-3]；通过小型开关变换器[4-7]和使用高压电容和稳压二极管组成电容降压型稳压电源[8-10]。其中，普通线性稳压电源效率比较低，电源的变压器体积大、重量大、成本较高，且开关电源结构复杂、电源纹波较大，成本高。电容降压型直流电源具有无隔离、体积小、成本低等优点，被广泛应用于各类小功率电子设备，特别是要求无隔离电源的特殊电子设备中。
    然而，当传统电容降压型直流电源的负载减小甚至是开路时，电源的热耗功率会急剧增加，这不仅需要采用额外的散热措施以保证电路的安全，而且还会导致电源效率严重下降及电能的浪费。这一问题近年来一直没有得到解决，本文对传统电容降压直流电源电路进行改进设计，在保持了电容降压型直流电源结构简单、体积小、重量轻、成本低特点的同时，电路能根据负载的变化动态地调节市电电能输入，使电源表现出很低的热耗功率，且几乎不受负载变化的影响。

    只要选取不同稳压值VZ的稳压管就可以得到不同的输出电压Vout，然后再根据Vout和Vin的值选取不同容量的限流电容C1，就可以得到需要的最大输出电流Iout。所以，本文提出的电源具有很强的通用性。
2.3 特性分析
    实验中取C1为2μF，D3的稳压值为30 V，C2为220μF，电源输入为220 V/50 Hz的交流市电。图4所示为电源输出电压Vout和输出电流Iout之间的关系。在给定的参数下，当输出电流小于60 mA时，电源表现出良好的恒压源特性；当输出电流超过60 mA后，输出电压会急剧下降。所以，在实际电路中要根据负载需要的最大电流来选择适量的限流电容值，最好留有一定的余量。

    图5所示是传统电容降压式直流电源的输入功率Pin（电网消耗功率）与输出功率Pout（负载消耗功率）与负载变化的关系，而图6显示了本文设计的直流电源的Pin与Pout随负载变化的曲线。可以发现，对于传统电容降压式直流电源，其输入功率始终都保持在较高的水平，这意味着电源负载减小或空载时热耗功率会急剧增加。而采用改进结构的电源，其输入功率对输出功率的变化具有动态响应特性，这可以极大地减少轻载或空载时电源的热耗功率，使电源更加高效节能。

    得到两种电源的热耗功率与电源输出功率之间关系的对比，如图7所示。可以看出，改进电源热耗功率几乎不随输出功率的变化而变化，并保持在极低的水平。

    本文通过在传统的电容降压型直流电源电路中引入可控硅调控机制，并适当改进电路结构，设计出一种热耗功率极低，且对负载变化有良好适应特性的电容降压型直流电源。通过选择稳压管参数满足所需要的输出电压要求。电源在保持结构简单、体积小、重量轻、成本低的特点基础上，实现高效节能。可广泛用于要求无隔离、低热耗、动态负载适应性强的小功率的电子设备中。目前用于智能电气监控模块设计中，实测结果表明电源性能表现良好。
参考文献
[1] 刘建，高振铃.直流稳压电源设计[J].河北建筑工程学院学报，2008，12(4)：69-71.
[2] 王聪敏，李少娟，林艳红，等.直流稳压电源的设计[J].西安邮电学院学报，2011，16(1)：103-105.
[3] 刘梦成.交流稳压电源的设计[J].天津理工大学学报，2012，28(4)：28-31.
[4] 李文，雷虹，冯进军，等.小型高效小功率开关电源的设计[J].电力电子技术，2006，40(5)：110-111，142.
[5] 陈富军，衡耀付，季钢.新型开关稳压电源的优化设计与实现[J].河南大学学报(自然科学版)，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 mobile robot[C].2010 International Conference on Electrical and Control Engineering，2010，10(11)：3543-3545.
[8] 金永镐，金海山.基于电解电容降压的小容量直流稳压电源[J].信息技术，2006，19(10)：65-67.
[9] 王智昊，王志强.一种新颖的电容降压型直流稳压辅助电源[J].电源世界，2004，23(11)：26-28.
[10] 赵军芳.一种小型直流电源的可靠设计[J].仪器仪表用户，2003，10(2)：49-50.