降壓電路簡介

　　當(dāng)電流通過用電設(shè)備后（電阻），其設(shè)備兩端產(chǎn)生的電位差（電勢差）稱其為電壓降。

　　電流通過導(dǎo)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(dǎo)體（或用電器），但遺憾的是，流過串聯(lián)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(chǎn)生的電勢降低的多少，叫做“電壓降”。

降壓電路百科

　　當(dāng)電流通過用電設(shè)備后（電阻），其設(shè)備兩端產(chǎn)生的電位差（電勢差）稱其為電壓降。

　　電流通過導(dǎo)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(dǎo)體（或用電器），但遺憾的是，流過串聯(lián)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(chǎn)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(zhuǎn)換為低壓直流的常規(guī)方法是采用變壓器降壓后再整流濾波，當(dāng)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(yīng)注意以下幾點：

　　1 根據(jù)負(fù)載的電流大小和交流電的工作頻率選取適當(dāng)?shù)碾娙荩皇且罁?jù)負(fù)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(tài)負(fù)載條件。

　　5 同樣，電容降壓不適合容性和感性負(fù)載。

　　6 當(dāng)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(fù)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。它的輸出電壓通常可在幾伏到三幾十伏，取決于所使用的齊納穩(wěn)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(biāo)準(zhǔn)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(wěn)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(yán)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(yán)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(shè)C1=2uF，其容抗XCL=1/（2PI*fC1）=1592。由于整流管的導(dǎo)通電阻只有幾歐姆，穩(wěn)壓管VS的動態(tài)電阻為10歐姆左右，限流電阻R1及負(fù)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(yuǎn)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(jù)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(guān)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(jié)論：（1）在使用電源變壓器作整流電源時，當(dāng)電路中各項參數(shù)確定以后，輸出電壓是恒定的，而輸出電流Id則隨負(fù)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(fù)載電阻RL大小不同在一定范圍內(nèi)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(yīng)根據(jù)負(fù)載電流來選擇，比如負(fù)載電路需要9V工作電壓，負(fù)載平均電流為75毫安，由于Id=0.62C1，可以算得C1=1.2uF。考慮到穩(wěn)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(wěn)壓管的穩(wěn)壓值應(yīng)等于負(fù)載電路的工作電壓，其穩(wěn)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(fù)載短路，但是當(dāng)負(fù)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(wěn)定電流應(yīng)該取100毫安為宜。由于RL與VD5并聯(lián)，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(wěn)定電流不得大于18毫安，否則將失去穩(wěn)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(fù)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(fù)半周時給C1 提供放電

　　回路，D3 是穩(wěn)壓二極管R1 為關(guān)斷電源后C1 的電荷泄放電阻。在實際應(yīng)用時常常采用的是圖-2的所示的電路。當(dāng)需要向負(fù)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(jīng)穩(wěn)壓的直流電壓一般會高于30 伏，并且會隨負(fù)載電流的變化發(fā)生很大的波動，這是因為此類電源內(nèi)阻很大的緣故所致，故不適合大電流供電的應(yīng)用場合。

　　器件選擇

　　1.電路設(shè)計時，應(yīng)先測定負(fù)載電流的準(zhǔn)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(fù)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(jīng)C1 的充、放電電流越大。當(dāng)負(fù)載電流Io 小于C1 的充放電電流時，多余的電流就會流過穩(wěn)壓管，若穩(wěn)壓管的最大允許電流Idmax 小于Ic-Io 時易造成穩(wěn)壓管燒毀。

　　2.為保證C1 可*工作，其耐壓選擇應(yīng)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(nèi)泄放掉C1 上的電荷。

　　設(shè)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(fù)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(fù)載電流Io 的關(guān)系可近似認(rèn)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(yīng)用上要特別注意隔離，防止觸電。

　　整流后未經(jīng)穩(wěn)壓的直流電壓一般會高于30伏，并且會隨負(fù)載電流的變化發(fā)生很大的波動，這是因為此類電源內(nèi)阻很大的緣故所致，故不適合大電流供電的應(yīng)用場合。

　　電容降壓式電源是一種非隔離電源，在應(yīng)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(fù)雜。他的工作原理是利用電容在一定的交流信號頻率下產(chǎn)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(chǎn)生的容抗約為3180歐姆。當(dāng)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(chǎn)生功耗，應(yīng)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(jù)這個特點，我們?nèi)绻谝粋€1uF的電容器上再串聯(lián)一個阻性元件，則阻性元件兩端所得到的電壓和它所產(chǎn)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(lián)，在接到220V/50Hz的交流電壓上，燈泡被點亮，發(fā)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(chǎn)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(lián)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(tài)分配電容器和負(fù)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(guān)S閉合的時候，VD二極管承受負(fù)壓關(guān)斷，電感充電，電流正向流動，電流值呈現(xiàn)指數(shù)上升趨勢。開關(guān)S斷開的時候，VD二極管起續(xù)流作用，電感開始放電，電流逐漸下降，通過負(fù)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(guān)是通過MOSFE或者IGBT實現(xiàn)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(guān)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(jù)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(zhuǎn)換器的工作原理，Buck電路如圖1所示。圖中功率MOSFET為開關(guān)調(diào)整元件，它的導(dǎo)通與關(guān)斷由控制電路決定;L和C為濾波元件;開關(guān)截止時，二極管VD可保持輸出電流連續(xù)，所以通常稱為續(xù)流二極管。控制電路輸出信號使開關(guān)管VT導(dǎo)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(dǎo)通壓降，MOSFET源極電壓應(yīng)為Uin。

　　基于TL494單端降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計，采用電流連續(xù)模式（CCM）工作。開關(guān)電源工作在CCM時，一個周期內(nèi)，開關(guān)管導(dǎo)通時間為DT，Ii的上升量為［（Uin-Uo）*DT］/L;開關(guān)關(guān)斷時間為（1-D）T，則Ii的下降量為［Uo*（1-D）T］/L。在穩(wěn)定狀態(tài)下，由上表面非隔離型電路推導(dǎo)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(guān)系如下：

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

　　DC/DC轉(zhuǎn)換器電路的各種特性（效率、紋波、負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)等）可根據(jù)外設(shè)元件的變更而變更，盡量在各種制約條件下，設(shè)計出最接近要求規(guī)格的DC/DC轉(zhuǎn)換器電路。

　　1、DC/DC轉(zhuǎn)換的基本工作原理

　　最基本的基本型DC/DC轉(zhuǎn)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(fù)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(dāng)于在輸入回路增加了一個“電源”。由于線圈的左端被強(qiáng)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，F(xiàn)ET的ON時間越長（FET的觸發(fā)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，F(xiàn)ET的ON時間太長的話，給輸出側(cè)供電的時間就極為短暫，F(xiàn)ET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(fù)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(qiáng)制性地降到0V以下，VOUT的電壓下降，即降壓電路原理。

　　由此，F(xiàn)ET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(zhuǎn)換電路的設(shè)計要點

　　（1）穩(wěn)定工作（=不會因異常振動等誤動作、燒損、過電壓而損壞）

　　（2）效率大

　　（3）輸出紋波小

　　（4）負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)好

　　這些設(shè)計指標(biāo)可通過變更DC/DC轉(zhuǎn)換器IC和外設(shè)元件得到某種程度的改善。

　　3、開關(guān)頻率的選擇

　　DC/DC轉(zhuǎn)換器IC具備固有的開關(guān)頻率，頻率的不同會對各種特性產(chǎn)生影響。

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