CN101282090A - 电容分压型直流稳压电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电容分压型直流稳压电源，本发明的目的在于提供一种从交流电源处高效率获得低压直流电源的新方法。为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：交流市电先用电容分压得到一个较为合适的低压交流电，再经过整流滤波稳压而获得所需要的直流稳压电源。本发明在现有的变压器降压型直流稳压电源和开关电源型直流稳压电源之外，提出了一种从交流电源处获得低压直流电源的新方法：电容分压型直流稳压电源，克服了前两种方法轻载或者待机状态下效率急剧下降的问题。本发明在空载或轻载时只消耗很少的功率，并具有自动限流保护功能；另外本发明在交流电网中呈容性，可以起到功率因数补偿的作用。本发明用于降低电器轻载或者待机能耗具有明显的节能效果，而且可作为功率因数补偿器，能提高用电功率因数、减少功率损耗、吸收电网的有害脉冲、改善交流电网的谐波电流，并具有节电功能，把无功功率转变为有功功率，是真正的绿色电源。

Description

电容分压型直流稳压电源

技术领域

本发明属于直流稳压电源技术领域，特别是涉及一种采用电容分压型超低待机功耗高效率直流稳压电源。

背景技术

全球能源面临危机，如何尽量减少能源的消耗已成为一个迫切的课题。电器从交流电源处获得低压直流电源是一种经济的直流能源来源，常用的方法有变压器降压型直流稳压电源和开关电源型直流稳压电源，但对于低耗能要求来说，这两种方法都是有缺陷的：变压器降压型直流稳压电源中，工频变压器存在铁损和铜损，本身还会发热，效率很低，空载时单单变压器耗电就会达到好几瓦；而开关电源型直流稳压电源虽然省去了工频变压器，但在轻载或者待机状态下，因开关脉冲的占空比很低，又必须从交流电源整流滤波的高电压下取得工作电源，此时只要有一点点的静态电流和开关损耗就会消耗不少功率，交流220V整流滤波后直流电压有310V，此时开关电路哪怕只有10mA电流，空载功耗就已超过3瓦，其效率也很低，事实上开关电源的高效率是在额定功率下测得的。轻载或者待机状态下效率急剧下降是现有电源设备的通病，但轻载或者待机状态又是电器很常用的工作状态，如手机充电器由交流220V处取得电源降压来给3.6V的锂电池充电是轻载状态，如家电的红外遥控待机状态等等；降低电器轻载或者待机能耗不仅意味着消费者节省用电开支，对缓解日趋紧张的能源压力有积极作用，更直接的是减少了能源浪费和环保压力。鉴于以上原因，本发明在现有的变压器降压型直流稳压电源和开关电源型直流稳压电源之外，提出了一种从交流电源处获得低压直流电源的新方法：电容分压型直流稳压电源，克服了前两种方法轻载或者待机状态下效率急剧下降的问题，同时具有功率因数补偿的作用，以期对减少能源的消耗作出有益的贡献。

发明内容

本发明的目的在于提供一种从交流电源处高效率获得低压直流电源的新方法：电容分压型直流稳压电源。为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：交流市电先用电容分压得到一个较为合适的低压交流电，再经过整流滤波稳压而获得所需要的直流稳压电源。

在此之前，使用电容从交流市电获得稳压电源的方法是采用电容限流，经整流滤波后再由稳压管或并联稳压电路稳压，其缺点之一是当负载较轻或空载时，其电流大部分或全部由稳压管或并联稳压电路吸收，效率很低，空载时效率最低，而且其功率做不大；其缺点之二是：整流滤波后原本很高的直流电压实际上是由稳压管承受着，当稳压管一旦失效，则该直流电压将直接加在负载上，很可能立即击坏电路。所以这种电源既不符合高效率的节能要求，也不能用来取代普通的稳压电源。本发明将打破传统，推出新的应用方法。

图1是本发明电容分压型直流稳压电源中电容分压整流滤波示意图。电容分压整流滤波是本发明的核心部分，它由电容C1C2、整流桥BR1、稳压管DZ1、电解电容C3组成。交流市电ACin经C1C2分压，所得交流电压有效值为AC1＝[C1/(C1+C2)]×ACin(公式一)，其中ACin为交流输入电压有效值；AC1经BR1全桥整流，C3滤波，得到未经稳压且没和电网隔离的直流电压Vo，空载时Vo≈1.414AC1＝1.414[C1/(C1+C2)]×ACin(公式二)。在这里图1中稳压管DZ1不是用于稳压，DZ1的取值比Vo的最大值略高，是用来吸收交流市电经C1C2分压再经整流滤波后可能出现的脉冲电压或本电源电路在极端情况下如刚断电又立刻通电时所可能出现的瞬态电压，以保护稳压IC，DZ1在正常工作时并不耗电。

该直流电压Vo由于是电容分压整流滤波后所得，其特点是：它近似恒流源，内阻较大，输出电压特性较差。该特点看来是缺点，其实它包含有三个很重要的优点：其一是图1电路在工作中没有任何消耗功率的元件，它在空载时是不耗电的！！！其二是图1电路具有自动限流功能，不怕短路，短路时其功耗反而急剧减少；其三是图1电路还有一个非常可贵的特点：在交流电网中呈容性，可以起到功率因数补偿的作用。如何发挥其优点，让图1电路能进入实用是本发明所要解决的最大问题。

我们来仔细看看图1电路，空载时其直流输出电压Vo≈1.414[C1/(C1+C2)]×ACin(公式二)，短路时其最大短路电流Imax由C1决定，Imax＝ACinωC1(公式三)，其中ω为交流输入电压角频率。有负载时，根据最大传输原理，当负载逐渐加大，其最大功率输出发生在1/2×Vo时，此时电流Io＝K×1/2×Imax(公式四)，可称Io为最大工作电流，K是当所选的Vo较高时使C1两端电压略有下降而产生的一个系数，K＝(1.414ACin-1/2×Vo)/1.414ACin(公式五)，大多数情况下K＝0.9-1.0，当所选的Vo不太高时可近似取K＝1。只要我们所设计的稳压电源电路能正常地工作在1/2×Vo至Vo之间，就能把电容分压电路应用于直流稳压电源中，其中的关键问题是当空载时该稳压电路的电流一定要特别小，才能实现超低耗能要求，而这是可以做到的。以下将在具体实施方式中以几个应用电路举例说明使用方法。

图2至图6是本发明电容分压型直流稳压电源应用电路一至电路五原理图，以几个交流电源不隔离的直流稳压电源为例，较为详细地说明了本发明在实际应用中的使用方法及计算方法。详见具体实施方式。交流电源不隔离的电容分压型直流稳压电源可用于不需要交流电源隔离的电器如空调、热底盘的电视机、电磁炉等作为低功耗直流稳压电源或低功耗待机电源。

对于需要交流电源隔离的电器，可以在图1电路后采用隔离型的低输入电压开关电源，以适应其比交流电源直接整流滤波低的直流输出电压，这样的电源可以具有较低的功耗，其电路采用不同厂家的集成电路可以有很多种方式，图7给出电路原理框图并对其工作原理作出分析。电路原理框图见图7，仅举一个具体实施例见图8。采用这种隔离型电容分压型直流开关稳压电源，由于开关电源的工作电压低了很多，其静态功耗和开关管的开关损耗也降低了很多，而且在轻载或者待机状态下可以不必使开关电源工作在极低的占空比状态下，从而提升了稳压电源的效率；再则工作电压低也降低了对开关电源的要求，不但降低了成本，也使开关电源的设计更容易了。交流电源隔离的电容分压型直流稳压电源可以直接取代现有的稳压电源而用于大多数电器中。

本发明相对于使用变压器降压整流滤波的稳压电源优势更加明显：省去了笨重低效的工频变压器，提升了直流电源的效率，并具有功率因数补偿作用。

综上所述，本发明在很多领域完全可以取代现有的稳压电源从而提高电源的利用率。本发明在传统的变压器降压型直流稳压电源和开关电源型直流稳压电源之外，又提出了一种从交流电源处获得低压直流电源的方法，同时本发明不但本身就节能，而且所具有的功率因数补偿作用对交流电网日益恶化的功率因数将起到改善作用。放眼家用电器，可以说几乎除了白炽灯以外，所有电器的功率因数都很低，工厂所用的电器其功率因数更低，使得目前交流电网的功率因数日益恶化，发电厂必须使用昂贵的大容量功率因数补偿器来集中调整功率因数，但也只能稍有改善而已，因是集中调整效果并不理想，若能推广本发明，不但本身就节能，还能分散开来对交流电网的功率因数起改善作用，其经济效应十分可观。

本发明的有益效果是：提供了一种从交流电源处高效率获得低压直流电源的新方法，它在空载或待机时只消耗很少的功率，具有自动限流功能，不怕短路，而且短路时具有功耗反而急剧减少的特点；另外它在交流电网中呈容性，可以起到功率因数补偿的作用，这一点非常可贵，对减少能源的消耗十分有益。本发明用于降低电器轻载或者待机能耗具有明显的节能效果，而且可作为功率因数补偿器，能提高用电功率因数、减少功率损耗、吸收电网的有害脉冲，并具有节电功能，把无功功率转变为有功功率，是真正的绿色电源！！！本发明若推广到各种电器中使用，能减少能源的消耗，并能改善交流电网的谐波电流，提升交流电网的功率因数，对缓解日趋紧张的能源压力有积极作用，不仅能使消费者节省用电开支，更直接的是减少了能源浪费和环保压力，对国对家都极为有益。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1本发明电容分压型直流稳压电源中电容分压整流滤波示意图；

图2本发明电容分压型直流稳压电源应用电路一原理图；

图3本发明电容分压型直流稳压电源应用电路二原理图；

图4本发明电容分压型直流稳压电源应用电路三原理图；

图5本发明电容分压型直流稳压电源应用电路四原理图；

图6本发明电容分压型直流稳压电源应用电路五原理图；

图7本发明电容分压型直流稳压电源采用隔离型的低输入电压开关电源电路原理框图；

图8本发明电容分压型直流稳压电源应用电路六原理图。

具体实施方式

1、图1是本发明电容分压型直流稳压电源中电容分压整流滤波示意图。以一个例子来说明各个参数的计算方法：例交流电源电压ACin＝220V，交流电源频率50Hz，设计一个空载输出电压Vo＝36V，最大工作电流Io为150mA的直流电源，根据公式三和公式四，Imax＝0.3A，C1＝Imax/ACinω＝0.3/(220×6.28×50)≈4.3×E-6(F)＝4.3UF，可采用4.3微法630伏的电容；根据公式二，可得C2＝(C1×ACin/0.707Vo)-C1＝(4.3×220/0.707×36)-4.3≈33UF，可采用33微法63伏的电容或无极性电解电容；电解电容C3的选取方法和普通直流电源相同，可选用470微法50伏，稳压管DZ1是用来吸收电网中的脉冲电压或本电源电路在极端情况下如刚断电又立刻通电时所可能出现的瞬态电压，其取值可比Vo大25％-30％，即比交流电压输入最高时的Vo值略高，可选用47V/3W或瞬态电压抑制二极管P6KE47A(47V/5W、瞬态峰值功率600W/1ms)，DZ1在正常工作时并不耗电；此电路在空载时没有任何消耗功率的元件，只是一个由C1C2构成的功率因数补偿电路。此电路空载功耗为零，最大输出功率为Vo×Io/2＝2.7W。

2、图2是本发明电容分压型直流稳压电源应用电路一原理图，采用HT7105或国产7105、7105-1、7105A-1等微功耗低压差稳压IC，输出电压5V，最大输出电流30mA，静态电流为4-5微安，可用于不需要交流电源隔离的电器作为低功耗待机电源。稳压IC额定功率输出时的最低输入电压可选为7V，考虑到交流电压应允许有20％的波动，选AV220伏时其输入电压为17.5V，则最高静态输入电压为17.5×120％＝21V，最低静态输入电压为17.5×80％＝14V；根据公式三和公式四，可算得C1＝0.06/(220×6.28×50)≈0.87UF，可采用0.91微法630伏的电容；根据公式二，可得C2＝(0.91×220/0.707×17.5)-0.91＝15.3UF，可采用15微法63伏的电容或无极性电解电容；HT7105的最大允许输入电压为24V，DZ1可取24V/1W，C3取100微法50伏电解电容；电阻R0是当交流电源断开时给C1放电的，可选为1MΩ或更大些。此电路空载功耗仅为0.8mW，实可称为超微功耗直流稳压电源，而且具有功率因数补偿的作用，是真正的绿色电源。

电源IC在应用时都应考虑其输入电压的最大值不要超过其最大允许输入电压，本发明的具体实施例都有符合此要求。当电源IC的最大允许输入电压较低时，本发明略加调整仍可正常工作，可使稳压IC额定功率输出时的最低输入电压选为略大于1/2×Vo，比如选为0.6Vo，就可降低输入电压的最大值，当然这时要增加最大短路电流Imax以使0.6Vo时仍有足够的工作电流。以图2电路为例，如果HT7105′的最大允许输入电压是18V，选AV220伏时其输入电压为14.5伏，则最高静态输入电压为14.5×120％＝17.4V，最低静态输入电压为14.5×80％＝11.6V，则11.6V×0.6≈7V为稳压IC额定功率输出时的最低输入电压；这时电流需放大到0.5Vo/(1-0.6)Vo＝1.25倍，根据公式三和公式四，可算得C1＝1.25×0.06/(220×6.28×50)≈1.1UF；根据公式二，可得C2＝(1.1×220/0.707×14.5)-1.1≈22.5UF，DZ1可取18V。

3、图3是本发明电容分压型直流稳压电源应用电路二原理图，采用HT7105等微功耗低压差稳压IC，加有电流扩展电路，输出电压5V，最大输出电流200mA，静态电流为4-5微安，可用于不需要交流电源隔离的电器作为低功耗直流稳压电源或低功耗待机电源。稳压器包括电流扩展电路额定功率输出时的最低输入电压可选为7.6V，考虑到交流电压应允许有20％的波动，选AV220伏时其输入电压为19伏，则最低静态输入电压为19×80％＝15.2V；根据公式三和公式四，可算得C1＝0.4/(220×6.28×50)≈5.8UF；根据公式二，可得C2＝(5.8×220/0.707×19)-5.8＝89UF，可采用89微法63伏的无极性电解电容，89微法可由33微法和56微法并联代用；DZ1取24V/2W，C3取470微法50伏电解电容；R0选为1MΩ。此电路空载功耗小于1mW，实可称为超微功耗直流稳压电源，远远优于中国节能产品认证管理委员会针对家用电器节能认证法规的绿色电源标准，而且还具有功率因数补偿的作用，是真正的绿色电源。

4、图4是本发明电容分压型直流稳压电源应用电路三原理图，采用常用的7809稳压器，输出电压9V，最大输出电流200mA，静态电流约为4毫安，可用于不需要交流电源隔离的电器作为低功耗直流稳压电源或低功耗待机电源。稳压器额定功率输出时的最低输入电压可选为12V，考虑到交流电压应允许有20％的波动，选AV220伏时其输入电压为30伏，则最低静态输入电压为30×80％＝24V；根据公式三和公式四，可算得C1＝0.4/(220×6.28×50)≈5.8UF；根据公式二，可得C2＝(5.6×220/0.707×30)-5.6＝54UF，可采用54微法63伏的无极性电解电容，54微法可由33微法和22微法并联代用；DZ1取39V/3W或P6KE39A(39V/5W、瞬态峰值功率600W/1ms)，C3取470微法50伏电解电容；R0选为1MΩ。此电路空载功耗约为120mW，其静态功耗仍大大低于普通电源的功耗，仍然远远优于中国节能产品认证管理委员会针对家用电器节能认证法规的绿色电源标准，而且还具有功率因数补偿的作用，是真正的绿色电源。

5、图5是本发明电容分压型直流稳压电源应用电路四原理图，采用发明人自主设计的稳压电源，输出电压、输出电流可随需要设计，静态电流约为1mA，输入输出低压差，效率很高，可用于不需要交流电源隔离的电器作为直流稳压电源。若输出电压12V，最大输出电流200mA，稳压器额定功率输出时的最低输入电压可选为15V，考虑到交流电压应允许有20％的波动，选AV220伏时其输入电压为37.5伏，则最低静态输入电压为37.5×80％＝30V；根据公式三和公式四，可算得C1＝0.4/(220×6.28×50)≈5.8UF，因工作电压略高，考虑到系数K的影响C1可采用6.2微法630伏的电容；根据公式二，可得C2＝(6.2×220/0.707×37.5)-6.2＝45UF，可采用两个22微法63伏的无极性电解电容；DZ1取47V/3W或P6KE47A(47V/5W、瞬态峰值功率600W/1ms)，C3取470微法50伏电解电容；R0选为1MΩ。Q1Q2放大倍数约为100，Q1电流约10微安，Q2电流约1毫安，Q3为中功率管或大功率达林顿管，当输出电流较大时可采用大功率达林顿管，当然也可以采用MOS FET管。此电路空载功耗约为40mW，其静态功耗大大低于普通电源的功耗，而且还具有功率因数补偿的作用，是真正的绿色电源。

发明人自主设计的稳压电源其工作范围很宽，最大允许输入电压可以比常用的稳压IC高，可根据需要灵活设计。

6、图6是本发明电容分压型直流稳压电源应用电路五原理图，采用LM2675-5开关电源IC，输出电压5V，最大输出电流500mA，静态电流约为2.5mA，可用于不需要交流电源隔离的电器作为直流稳压电源。稳压器额定功率输出时的最低输入电压可选为15V，考虑到交流电压应允许有20％的波动，选AV220伏时其输入电压为37.5伏，则最低静态输入电压为37.5×80％＝30V，LM2675的最大效率可达96％，输出电压5V效率为90％，可算得当输入电压为15V输出电流500mA时输入电流为185mA，根据公式三和公式四，可算得C1＝0.37/(220×6.28×50)≈5.35UF，因工作电压略高，考虑到系数K的影响C1可采用5.8微法630伏的电容；根据公式二，可得C2＝(5.8×220/0.707×37.5)-5.8≈42.3UF，可采用42微法63伏的无极性电解电容；DZ1取47V/3W或P6KE47A(47V/5W、瞬态峰值功率600W/1ms)，C3取470微法50伏电解电容；R0选为1MΩ。此电路空载功耗约为90mW，其静态功耗大大低于普通电源的功耗，而且还具有功率因数补偿的作用，是真正的绿色电源。

接下来介绍隔离型电容分压型直流开关稳压电源，这种电源在轻载或者待机状态下比现有的开关稳压电源具有更高的效率。开关稳压电源电路采用不同厂家的集成电路可以有很多种方式，其电路原理框图见图7。

7、图7本发明电容分压型直流稳压电源采用隔离型的低输入电压开关电源电路原理框图，交流电源经电容分压整流滤波后，提供了直流电压给开关电源使用。开关电源经DC/DC变换、高频变压器T1隔离和整流滤波，得到隔离后的直流输出电压，此电压经取样比较再通过光电耦合器送回开关电源IC进行占空比控制，保证了输出电压的稳定。由于采用电容分压，开关电源的工作电压低了很多，其静态功耗和开关管的开关损耗也降低了很多，对高频变压器的要求也低了，而且在轻载或者待机状态下可以不必使开关电源工作在极低的占空比状态下，因此使得本发明比现有的开关稳压电源具有更高的效率。

写到这里，发明人觉得，此项发明若得蒙批准，发明人要专门写一本书才能更详细地推导所有的公式和详细介绍使用方法和使用技巧，以使这项发明更好地进入实用。在此限于篇幅，隔离型电容分压型直流开关稳压电源仅举一个具体实施例见图8。

8、图8是本发明电容分压型直流稳压电源应用电路六原理图，采用UC 3842开关电源IC，输出电压12V，最大输出电流500mA，可用于普通电器作为隔离型的直流稳压电源，由于采用低输入电压，该电源的静态功耗和轻载功耗大大低于传统开关电源。选取开关稳压器的静态输入电压为交流电压直接整流滤波后的五份之一约62V，考虑到交流电压应允许有20％的波动，则最低静态输入电压为62×80％≈50V，额定功率输出时的输入电压为25V，开关电源的效率可轻松地做到85％，则额定功率输出时的输入电流为282mA，根据公式三和公式四，可算得C1＝0.564/(220×6.28×50)≈7.54UF，因该输入电压较高，考虑到系数K的影响，在这里K＝(1.414×220-25)/(1.414×220)＝0.92(公式五)，C1可采用7.54/0.92＝8.2微法630伏的电容；根据公式二，可得C2＝(8.2×220/0.707×62)-8.2＝33UF，可采用33微法80伏的电容或无极性电解电容；DZ1取75V/3W或P6KE75A(75V/5W、瞬态峰值功率600W/1ms)，C3取1000微法80伏电解电容；R0选为1MΩ；UC3842及其***电路仍按常规方法设计，只是要注意工作电压较低。因静态输入电压为交流电压整流滤波后的五份之一，此电路空载功耗也就约为普通开关电源的五份之一，大大低于普通开关电源的功耗，且具有功率因数补偿的作用，是真正的绿色电源。

从以上具体实施例可以看出：本发明若得以推广，中国节能产品认证管理委员会针对家用电器节能认证法规将我国家电的待机能耗标准限定在3W以内的绿色电源标准将得以普及，国际能源组织制定的“1瓦待机功耗”的长期努力目标也将提早实现！！！

最后需指出的是：随着材料和工艺的进步，现在生产高电压大容量的电容已经很容易了，比如CBB电容和独石电容，价格并不高，无极性电解电容也容易得到。随着本发明的推广，必将促进新材料和新工艺的发展，届时高电压大容量电容的成本还会大大降低，反过来又将进一步促进本发明的普及并向大功率化发展，其成本将明显低于传统的直流电源，而又能减少有色金属的消耗，本发明的普及对有效利用能源将起到很大的作用。

Claims (4)

1. 电容分压型直流稳压电源，它由电容C1C2、整流桥BR1、稳压管DZ1、电解电容C3和直流稳压器组成，其特征在于：交流市电由C1C2分压，BR1全桥整流，C3滤波、DZ1吸收瞬态电压后经直流稳压，形成电容分压型直流稳压电源。

2. 根据权利要求1所述的电容分压型直流稳压电源，其特征在于：所述电容C1的一极接交流电源的一极，C1的另一极接C2的一极和BR1的一个交流输入端，C2的另一极接BR1的另一交流输入端并接入交流电源的另一极，BR1的正端输出接DZ1的负极和C3的正极，BR1的负端输出接DZ1的正极和C3的负极，以得到未经稳压且没和电网隔离的直流电压。

3. 根据权利要求1所述的电容分压型直流稳压电源，其特征在于：所述未经稳压且没和电网隔离的直流电压经直流稳压得到交流电源不隔离的直流稳压电源。

4. 根据权利要求1所述的电容分压型直流稳压电源，其特征在于：所述未经稳压且没和电网隔离的直流电压经隔离型的开关稳压电源得到交流电源隔离的直流稳压电源。

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