2015 十月

电源中的元件

一站式提供阻容降压电路元件

阻容降压电路简单、紧凑且经济,特别适合毫瓦级电源应用。除了电容器这一重要元件,这些设计中几乎所有的其他无源元件,TDK集团都能提供。

研发工程师会遇到越来越多的设备和系统单元只需要低电压和豪安级电流的供电。典型例子包括测量数据或计时器的显示、基于微控制器的测量系统以及简单的开环和闭环控制。类似的例子还包括需要接入无线网的设备,例如通过无线网络读取数据的智能电表,以及接入物联网的网络设备。

传统的电源在这么低的功率范围内具有很多缺点,采用变压器或开关电源的方案不仅需要大量空间而且费用昂贵。此外,铜线和铁线上的损耗相对于这么低的输出功率来来说损耗比例太高了。。即使是在线端连接一个欧姆电阻器这种最简单的解决方案,虽然不昂贵,但损耗极大,效率比差强人意。而对于在线路上串联电阻这种最简单的解决方案,虽然成本低廉但线路的损耗极大,与高效能的要求相背而驰。

利用电容器的电抗实际效果

将电容器和负载串联是人们常用的利用交流电源给小型负载供电的一种方式。该方式不仅有效,而且简单、性价比高。这种方式应用了不需要的相位偏移效应,及流过电容的电流和电压相位相差90°此时电容只消耗无功功率,不产生实际的功率损耗。因此,用电容来作为串联电阻是理想的解决方案。图1显示了电路图以及电压相关的向量图。与传统电源相比,阻容降压电路可防止输出短路。

图1:阻容降压电源的电路图

向量图清晰表明:电容器分担了大部分的电压,而电容器并不消耗功率。

由于电容器是串联在电网中的,对其稳定性就有了很高的要求。因此,建议阻容降压电容只使用符合UL和ENEC标准的X2电容器。

鉴于此,TDK集团提供了一系列的X2电容,如新的B3292*H/J*系列为了确保电容即便在高温和高湿等极端气候条件下,也能保持容值的稳定性并且能可靠工作,TDK集团专门开发了X2高温高湿系列 (B32932*至B32936*) 电容器。在85 °C的温度,85%的相对湿度,1000H的测试后容值的变化不超过10%。此外,这些电容器还具有卓越的自愈性,即出现破坏性放电时,会使局部金属镀层蒸发,不会产生短路,确保电容器仍保留原有的功能。

阻容降压电源计算

实际应用中,需求最多的是直流输出电源。最简单的解决方案如图2所示加上整流二极管。以下的例子以9 V dc的输出电压,最大负载电流15 mA的要求来计算。

图2:简单阻容降压电源

Zener二极管的功能:在正半波,D1作为一个稳压元件。为了获得所需的9 V输出电压,Zener的电压必须为9.7 V,这是因为D2处有0.7 V的压降由于Zener二极管没有刚好的电压,我们选择了电压为10 V、功耗为1.3 W的二极管。如果电源是在电网的峰值电压时接入电网,会有过高的电流流过D1,这种容易被忽略的电流会引起D1损坏。因此,为了限制过电流,需要在电路中串联R1。这样,功耗为1.3 W的Zener二极管就可处理1 A的瞬态电流。其中,R1的计算公式如下:


R1最接近的标称值是330 Ω。工作过程中,负载电流会持续流过R1。计算时必须考虑ACRMS和直流平均值之比。由于是半波整流,其波形因数为2.22。输出电流为15 mA时,产生的流过R1的电流为33.3 mA,功耗则为:


所选电阻的负载能力为0.5 W。电压流过该电阻后降低11 V。

根据以上所得数据,现在可以计算电容器C1所需的电抗。为了保证即便欠压时也能给负载可靠供电,必须至少考虑10%的电压下降,。此外,还必须考虑R1和D1上产生的压降。产生的电抗如下:


由此可计算正常线频率为50 Hz时所需的电容值:


因此,最接近的常用电容值是0.68 μF。到工作的环境,爱普科斯(EPCOS) 高温高湿系列的X2电容器,型号B32933A3684K*就非常适合。其引线间距为22.5 mm,最高允许工作温度高达105 °C,电压为305 V ACRMS。此外,B32923H3684K*也是理想选择,该型号最高允许的工作温度为110 °C其引线间距为22.5 mm。上述2种型号的电容值容差均为±10%。

图3:用于阻容降压电源的爱普科斯 (EPCOS) 电容器

2款非常适合阻容降压电源的爱普科斯(EPCOS) X2电容器:左侧高温高湿系列,右侧是B3292*H/J系列。

经济标准型1N4001 (50 V, 1 A) 专为高达35 A的峰值电流设计,足以满足二极管D2(可确保单脉冲电抗)的要求。该二极管由多个半导体供应商供货。

通过高效稳压确保供电

C2是输出稳压电容。由于是半波整流,C2必须保证在负半波周期时的整个输出电流所需电容值与输出电压允许的波动有关。对于例子中的电路,电压最高波动为1 V。最大负载时电压为9 V,负载电流为15 mA,所产生的负载阻抗为600 Ω。电网电压频率为50 Hz(每半周期10 ms)时,C2的最小电容值由以下公式决定:


选择的是150 μF的单端铝电解电容器,可允许电压为25 V DC。为了尽可能延长使用寿命,该电容器设计的温度应该至少为105 °C。

有时还会增加一颗陶瓷电容C3 和C2并联,,,用来抑制杂波和吸收电压峰值。比如,TDK集团0.1 μF的 MLCC就用作该目的。型号C1608X7R1E104K080AA选择的是额定电压为25 V DC,尺寸为1608 (IEC),温度特性为X7R (-55 to +125 °C, ±15%)。

关键的电路保护

最糟糕的状况是,无负载时电源关断,此时C2仍处于充电的状态,充电的峰值电压可达325V。R2的作用就是尽快使C1放电。选取电阻值时,必须功率损耗和放电时间常量之间折衷。本次的例子中,可选470 kΩ,功耗大约为0.1 W,放电至最大安全接触电压50V的时间是0.5S。如果电源持续连接至电网,就不需要这个电阻。

当然,进线端 的过压保护(RV1)也很重要。在这个位置,TDK集团提供了各种爱普科斯 (EPCOS) 压敏电阻,其中爱普科斯 (EPCOS) 常规系列非常用于国家电网,涵盖了11 VRMS至1100 VRMS之间的一系列电压值。这些保护元件的直径在5 mm和20 mm之间(分别对应所需的浪涌电流能力和能量吸收)。本次的例子中,选取直径为5 mm的紧凑型B72205S0231K101(对应8/20 μs脉冲,其浪涌电流能力为400 A)就非常适合。

另外,电路输出也可进行过压保护 (RV2),比如,爱普科斯(EPCOS) SMT CeraDiode® B72590D0150A060,其直流耐压压值为15 V。

最后,爱普科斯 (EPCOS) PTC B59873C0120A570 (RT1) 可满足25 °C时最大负载电流为90 mA的需要,确保电源输入端的限流能力。如果由于电路故障导致电流增大,PTC会受热并且电阻值迅速增加,从而降低线路中的电流。

图4:用于电源的爱普科斯 (EPCOS) 保护元件

左起:用于电源输入过压保护的磁盘式压敏电阻、用于输出保护的 CeraDiode® 和用于电源输入过流保护的PTC。

TDK集团齐全的元件系列可满足不同不同输出电压值和电流值得阻容降压电源需求。

物料清单

ID类型/数值订购号码制造商
R1330 Ω, 0.5 W多个
R2470 kΩ多个
RT2PTC, 90 mAB59873C0120A570爱普科斯
RV1压敏电阻,230 VB72205S0231K101爱普科斯
RV2压敏电阻,14 VB72590D0150A060爱普科斯
C10.68 μFB32933A3684K* or
B32923H3684K*
爱普科斯
C2150 μF, 25 V多个
C30.1 μF, 25 VC1608X7R1E104K080AATDK
D1ZD10, 1.3 W多个
D21N4001 多个

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