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容性电源（英文翻译为 Capacitive power supply ）即通常所说的阻容降压电路。容性电源叫法更为合理，因为其主要依靠电容的容抗来限制电路电流，电阻仅仅是防止冲击和给高压电容放电之用。容性电源一般应用在小电流的辅助电源中。其电路极其简单，成本低廉，EMI干扰极低，可以通过滤波输出较为纯净的直流电，无高频噪声。但一般情况下，容性电源工作在无控制回路状态，仅仅通过与负载并联的稳压管限制输出电压，电路一直消耗最大的功率。在负载功率需求变动较大情况下，容性电源无法调节消耗功率。而且无控制环路时，输入电压和频率以及电容容值都会对电路运行产生影响。本次试验目的是让容性电路实现可控化，使其能够根据输入电压，频率，负载变化以及元件参数变化调整自身工作，而不是一直消耗固定的最大功率，控制电路的最终目的是实现输出电压或电流的闭环可控化，类似开关电源，这样就可以提高电路在整个负载范围内的工作效率。
 
图1 经典的容性电源

我们先详细分析下容性电源的工作过程。图1是一个典型的容性LED驱动电源。C1是构成容性电源的核心，其容抗可以限制电路中的电流。整流桥把交流换成直流，电解电容可以滤除交流成分。为了方便分析，我们在图中设置了很多电压标识点，以及电流标识点。
为了方便分析，我使用LTSPICE进行了一些仿真。图2是仿真中关键标识点电压或电流波形。V1为峰值350V的50HZ交流电。一些关键时刻点以及相关说明在图中均有标示。由于波形的对称性，我们只需要分析半个周期即可。为了方便分析，从输入电压的峰值t0时刻分析最为方便，此时输入电压变化率为零。
t0时刻之前，输入电压V(a)一直在上升，整流桥也导通。到t0时刻，V(a)到达峰值，其电流变化率降为零，电容端电压变化率也降为零，电路中电流I(C1)也降为零。整流桥输入端电压t0时刻之前一直保持着负载电压Uled（忽略二极管导通电压）。
t0时刻之后，由于电路电流I(C1)为零，电容端电压不变，随着输入电压V(a)下降，整流桥输入端电压也下降，整流桥关闭。当输入电压下降的绝对值为2倍负载电压2Uled时，整流桥输入端电压为-Uled，整流桥重新导通，到达t1时刻。
t1时刻，整流桥重新导通，镇流器输入端电压钳位在-Uled，C1端电压开始变化，其变化率等同于输入电压变化率。因此电路电流开始存在。电流大小正比于输入电压变化率。

图2 容性电源仿真波形

t2时刻为输入电压过零时刻，此时电压变化率最大，电路中电流I(C1)达到峰值。
t3时刻和t0时刻较为接近，输入电压到达另一个峰值，变化率为零。电路中电流到达零。整流桥开始关闭。t3时刻后现象重复t0时刻后的现象。
下面分析输出的平均电流：
定义：C1容值为C，输入电压V(a)的峰值为UA，关键因子K=ULED/UA。
U(a)=UA*sin(ω*t+π/2) (ω=2πf)  输入电压瞬时值，f为电源频率
UA-2ULED=UA*sin(ω*t1+π/2)       t1时刻，输入电压跌落2倍输出电压 
1-2K= sin(ω*t1+π/2)             代入关键因子K  
t1表达式：
file:///C:\Users\Cachee\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps64C0.tmp.png

    
I(LED)=|I(C1)|=ωCUA sin(ωt)      区间0-π成立

流过LED的平均电流Imean（周期T=1/f）：


代入t1表达式：


看到结果如此简单，是否觉得物理学是很美好的？

如果负载为接近恒压性质的负载，比如LED，容性电源的输出功率：

这是二次函数，在Uled=(1/2)UA时具有最大值：

表达式如此简洁，令人感叹物理世界之美。

从Pout表达式，我们可以知道，在负载电压为0或者为输入电压峰值时，输出电流均值为0，这是必然结果，也验证了算式的正确性。输出功率在负载电压为输入电压峰值一半的时候，输出功率达到最大，这也符合一半物理学或哲学规律，所以如果要求以相同电容量获得最大功率，对于220V的电压要选取155.5V附近的负载可以获得最大输出功率。
从Imean表达式，我们可以知道，输出电流和负载电压以及输入电压为线性关系，LTSPICE仿真也证明了这一点：


图3 容性电源输出电流的仿真实验数据

那么问题来了，能否控制这么简洁美好的容性电源？控制容性电源哪种技术最强？
电源的控制一般是对输出端电压或者电流的控制，控制的核心是对于能量传送多少的控制。PWM是开关电源常用的控制方式，占空比的大小可以控制输出给负载的能量，从而控制电压或者电流，也有电压电流都参与的恒功率控制。控制什么输出参数是比较容易的，关键在于如何控制能量传递的多少。
我脑海中开始各种电路的架构想象，首先考虑周期性开路输出负载。我没有找到比较好的办法，因为负载的开路伴随着输出端电压的抬升，高压的控制就比较困难。断开和闭合开关要合适的时刻，否则会有瞬间电流而造成额外损耗，这就要检测输出端电压。开路后输出端有很高的电压难以处理。或者我没有想到很好的办法。
其实从原理上来讲，容性电源接近于恒流源特性，恒流源是害怕开路的，但短路是可以的。从Pout公式看到，忽略二极管导通损耗情况下，短路容性电源后的输出功耗是零。所以，周期性短路容性电源是符合物理规律的办法。周期性开路则违背处理恒流源的常规做法。
当周期性短路作为一个大的方向确定后，我一开始想到的工作方法是短路容性电源若干周期，然后再工作若干周期从而达到输出能量的调节。非短路周期占总工作周期的比例就是接近于开关电源的占空比。但这个方法遇到了极大的困难。
开关电源一般工作在几十或上百赫兹，容性电源整流后的周期是100赫兹。如果需要达到1%的调整率就要拿出100个周期作为工作周期。其产生的纹波就是1赫兹。这是一个很低的频率，滤波所需的电容容量难以承受，极大限制了其应用。
经过反复考虑，在单周期内短路容性电源一段时间的思想开始成型。基本思想是，在一个工频或半个工频周期内，让一段时间输出给负载的电流流经短路开关，调节短路时间可以改变流经负载电流的时间，这样就可以调节流经负载的能量大小而不额外损失能量。其实电路的框架没有改变，改变的只是电路的运作规律，这样的改变确保能量的传递波动频率还是100Hz，滤波所需的电容大小还在可以承受的范围。因为目前应用中还有工频变压器后面的整流滤波电路存在，其滤除的就是整流后的100Hz纹波。
 
图4 容性电源的控制线路方框图

图4是我的想法的方框图。SW器件一般选MOS管，具有良好的开关性能，其短路时刻的选择非常关键。基本容性电源电路分析中，t0时刻到t1时刻整流桥输入端电压从Uled到-Uled变化。这个过程中整流桥由于输入端电压小于输出端电压而关闭。t0到t1时间段内有一个特别的时刻，这个时刻整流桥输入电压为零。MOS如果在这个时刻短路是最合适的，这个时刻的短路可以避免大的冲击电流造成整流桥和MOS额外的损耗，开关电源中类似的情况叫ZVS（zero voltage switch）零电压开关，我们也可以叫ZVS（zero voltage short）。如果短路发生在整流桥前端非零电压时刻，电容将被强制在短时间内充电到等于电源电压，这个过程需要很强的冲击电流，会造成很大的损耗。
为了检测整流桥的输入端过零时刻，我们需要在输出端检测输入端端口的电压。D5用以隔开输出电解和Vsense点。R1用以释放MOS的D-S电容以及给整流桥一个弱负载，这样整流桥就会一直导通，Vsense点可以随着整流桥输入端变化而变化。使得Vsense可以检测到整流桥输出端的过零点，也就是输入端的过零点。从而控制MOS在过零点开通。MOS导通时间根据反馈电压或电流大小调整，从而调整流过负载能量的大小，进而稳定电压或电流或者功率。控制电路可以控制电流或者电压，方框图中是LED负载，所以控制的是电流Isense。控制电路可以是多种实现方式，单片机电路或者分立器件。单片机应该是最简洁的（图6）。为了方便大家制作，我实作是用的分立器件，后面再详述。先LTSPICE模拟下电路，分析下电路的详细工作状况为实作积累经验。图5是图4标示点对应的仿真波形。

图5 容性电源控制的电路的工作波形

t0时刻，类似于传统容性电源，t0时刻输入电压到最大值，电路电流接近于零，但由于R1存在整流桥始终导通或者说t0后弱导通。整流桥输出端会随着输入端电压下降而下降。当到达t1时刻时，整流桥输入和输出过零，如果没有MOS参与，整个过程将和传统容性电源一模一样。
t1时刻，控制电路通过Vsense检测到输入端过零，立刻开通MOS，由于是ZVS，这次开通造成的额外损耗极低。MOS开通后，整流桥由弱导通进入强导通，电路中开始流过电流，由于通路阻性很低，电路实际损耗极低。一直到t2时刻，MOS才重新关闭，t1到t2的时间是受反馈信号控制的，需要更多能量时，这段时间就减小，反之则增大。
t2时刻，MOS关闭，整流桥前端从零开始下降并且进入弱导通，直到t3时刻整流桥前端电压降到-Uled，整流桥重新开通。
t3时刻，整流桥重新开通，电流流经负载，从t3到t4时刻，电源一直给负载供电。
t4时刻，电压到达最低值，整流桥电流接近零。这个时刻接近t0时刻，t4时刻之后会重复t0时刻之后的过程。
控制电路会根据负载的电压或电流调节MOS开通的时间，从而控制负载获取的能量大小。这个调节是可以非常精确的做到。
为了查看电路是否能正常工作，我试着在仿真时改变输入电压，图6A是没有加控制电路的仿真图形，我们看到输出电流会随着输入电压变化而变化。根据Imean公式，我们知道，输出负载的电压越高，输出电流受输入电压变化影响越大。
图6B是加了控制电路的仿真模型，控制电路采用模拟电路来实现。我们可以看到加了单周期部分短路控制的电路具有很好地调整能力。其输出会实现类似开关电源的调节过程。

图6A 传统容性电源的响应

图6B 受控容性电源的响应

图7 容性受控电源的单片机电路

图7是我觉得可能是最简单的实现电路。单片机非常合适完成这个工作，PIC10F320是SOT23-6超小封装，内部有AD转换器，可以实现基本功能，而且价格便宜。如果选带运费的单片机还可以实现低电压取样电流信号，提高效率。为了方便一些没有单片机经验的电子爱好者，以及照顾我个人的偏好，我还是倾向用分立器件实现。虽然性能可能没有单片机实现那么完美。
图8是整体的分立元件电路图。由于最近时间特别紧张，仓促中完成电路设计以及调试，电路是边设计边调整边修改。中间遇到很多问题也都已经基本解决。图9是最后更新的电路参数，坦白说，在矿石收音机论坛这个活动截止前，这个电路没有调节到最佳状态，但已是可以工作的状态。我这里重点介绍这个电路如何设计，如何解决遇到的问题，重点介绍方法。而不是给大家一个成熟的电路去玩。学会了方法才可以解决所遇到的问题，以后也就没有问题了。
整个电路的核心是要实现一个脉宽可以调节的方波输出，并且这个方波要在一个脉冲信号下开始输出，而且其方波的宽度可以被电路控制。从这些特性我想很多人和我一样会第一个想到555时基电路。经过简单查询，我觉得555确实非常合适完成这个工作。555有个典型的单稳态电路和要求功能的基本一致。于是555很快成为电路的核心。R6决定脉宽最大值，Q3和R7可以在脉宽最大值和最小值之间被精确控制。
Q1和Q2是完成触发555脉冲的任务，Q1在整流桥输出过零时关闭，Q2则导通给555一个低电平脉冲触发，555输出一个高电平脉冲给MOS。Q2开通给555触发脉冲必须是短脉冲。注意R2连接到了D5前端而不是输出端电压稳定点。R2一开始设计是接到输出端的，R2更改到D5前端是在实验过程中遇到问题的解决办法。因为当R2连接到一个稳定的电压点时，一旦MOS被导通，D5前端会被拉低，Q1将不会重新导通，Q2将一直导通并把集电极维持低电平，这将破坏电路正常工作。因为555需要一个低电平脉冲，如果是维持型低电平不变，555将持续输出高电路进而使MOS一直导通。最终输出电压降低到使555重启。但是如果现在R2连接到了D5前端。当MOS导通时，Q1虽然不能导通，但由于R2上端电压接近0了，Q2也不能维持导通，从而Q2很快截止，不能维持低电平，555得到了正常的一个短的低电平脉冲。
U2和Q4是反馈电路，为了简单这里仅仅是稳定输出电压，并且采用了最简单的反馈回路。由于时间关系，反馈回路的调节还不是很理想。Q6是给电路供电的，注意Z1的存在是使得输出电容被充到一定电压后，电路才开始工作。因为在电压很低时，Q1和Q2的检测电路工作会有时不正常。这是模拟电路的一些弊端，如果采用单片机实现，很多问题将不会存在，因为程序具有很强的灵活性。 (责任编辑：admin)