工程師的憤怒：開關電源原理這么簡單，隨便設計一下就行？
因受到成本的制約，具有成本優勢的阻容降壓在現在的電控風扇和其它小家電中應用非常廣泛，現就目前最常用的半波整流電路對其進行詳細的分析；
此圖是一個220VAC/50Hz供電輸出5.1VDC <30mA的阻容降壓原理圖，交流電源從ACL和ACN端輸入，其中FUSE（F2A250V保險管）為過流保護，VAR（10D511K壓敏電阻）為浪涌保護，C1（MKP-X2 0.1uF/275VAC安規電容）為交流濾波電容，因這三個器件和線路板（或稱PCB）直接關系到控制器的安全與電磁兼容性，所以它們必須通過銷售國的安全認證，如在中國銷售的必須通過CCC認證，其它如美國的UL認證、歐洲的TUV或VDE認證、日本的JET認證等。電路中C2是降壓電容；常用CL21聚脂或CBB21聚丙烯（價格高，性能好），其容抗 Rc=1/2ΠFC2，其中Π≈3.14，F=電網頻率（50Hz），C2為電容容量，單位是F（法拉），所以此圖中C2的容抗Rc≈3.184KΩ，在220VAC輸入半波整流條件下最大能輸出34.54mA電流，但在實際使用當中，電網電壓和電網頻率都有波動，所以我們在設計此電容大小時必須考慮到最壞的情況下使用不會出現異常和損壞，還要求在設計時余量不能預留過大以降低整機功耗，同時此電容容量越大電路越不安全，我們在設計此電路時，如果220VAC供電情況下容量超過2.5uF，120VAC供電情況下容量超過4uF就因該放棄阻容降壓考慮其它電路電路中R1是為C2放電的電阻；防止在快速插拔電源插頭或插頭接觸不良時C2電容上的殘余電壓和電網電壓疊加對后續器件形成高壓沖擊和防止拔出電源插頭后接觸到人體對人員產生傷害，所以此RC時間常數在理想狀態下≤T（T=1/F，F=50Hz），但在實際使用當中R1不能取太小，否則R1功耗太大，一般我們取RC時間常數≤300mS，另外還要注意此電阻的耐壓，我們常用的0.25W碳膜電阻耐壓是500V，0.5W碳膜電阻耐壓是700V，具體可以參考電阻廠家的性能手冊。電路中R2、R3為限流電阻；此電阻主要是防止首次上電和在快速插拔電源插頭或插頭接觸不良時所產生的高壓沖擊對整流二極管的損壞，電容C2在首次上電如果剛好碰在波峰處，因C2在通電瞬間呈短路狀態，此時交流電源直接加在R2、R3和整流管上，R2、R3上有220VAC×1.414=311VDC瞬間直流電壓；電容C2在快速插拔電源插頭或插頭接觸不良時，如果電容C2在第n+1波峰處斷電，在n+2波峰處通電，電容C2在n+1到n+2時間內放掉⊿V（由C2，R1決定），此時R2、R3上有220VAC×1.414+（220VAC×1.414-⊿V） =622VDC-⊿V瞬間直流電壓，如果考慮到電網電壓的波動，此電壓會更高，所以R2，R3要選擇耐電流沖擊強和耐高壓的電阻，一般選用大功率氧化膜電阻或金膜電阻，R2、R3總電阻不能太小，也不能太大，電阻太小沖擊電流大，電阻太大整個電路功耗增大，整流二極管的峰值電流一般會比較大，如1N400X系列峰值電流為200A，所以一般取R2、R3總電阻=40-50Ω之間。電路中D1、D2為整流二極管，組成半波整流回路，C3、C4組成第一級濾波，這里要注意的是C3、C4電容的耐壓值和電網最高電壓、電網最高頻率、C2、ZD1、R4有關，如果此產品最高工作電壓是242VAC，電網最高頻率是53Hz，則C3，C4最高耐壓≈(242VAC×1.414)/（1/2ΠFC2）×R4+5.1≈22.2VDC，所以C3、C4選用耐壓≥25VDC的產品，R4、C5、C6組成第二級RC濾波同時ZD1將電壓穩定在5.1VDC上， R4的大小決定了產品在低工作電壓下的紋波大小，R5是放電電阻，R5的作用首先是在快速插拔電源插頭或插頭接觸不良時在斷電瞬間對濾波電容放電，以使通電瞬間時的沖擊電流從電容上耦合過去，防止沖擊電流加到穩壓二極管上造成穩壓二極管損壞，同時從這點考慮，在處理PCB布線時必須將穩壓二極管放在濾波電容C5、C6后面，防止PCB銅箔上的寄生電感和銅箔電阻對濾波的影響。阻容降壓電路的設計，圖2中，已知C1為0.33μF，交流輸入為220V/50Hz，求電路能供給負載的最大電流。C1在電路中的容抗Xc為：Xc=1 /（2πf 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與負載電流Io的關系可近似認為：C=14.5 I，其中C的容量單位是μF，Io的單位是A。
將交流市電轉換為低壓直流的常規方法是采用變壓器降壓后再整流濾波，當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。1 根據負載的電流大小和交流電的工作頻率選取適當的電容，而不是依據負載的電壓和功率。
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負載條件。
5 同樣，電容降壓不適合容性和感性負載。
6 當需要直流工作時，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：（國際標準單位）
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，穩定性和安全性要比半波整流型更差，所以用的更少。1、未和220V交流高壓隔離，請注意安全，嚴防觸電！
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C1=2uF，其容抗XCL=1/(2PI*fC1)=1592。由于整流管的導通電阻只有幾歐姆，穩壓管VS的動態電阻為10歐姆左右，限流電阻R1及負載電阻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。（1）在使用電源變壓器作整流電源時，當電路中各項參數確定以后，輸出電壓是恒定的，而輸出電流Id則隨負載增減而變化；
（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載電阻RL大小不同在一定范圍內變化。RL越小輸出電壓越低，RL越大輸出電壓也越高。C1取值大小應根據負載電流來選擇，比如負載電路需要9V工作電壓，負載平均電流為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。
穩壓管的穩壓值應等于負載電路的工作電壓，其穩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，因此一般不怕負載短路，但是當負載完全開路時，R1及VD5回路中將通過全部的93毫安電流，所以VD5的最大穩定電流應該取100毫安為宜。由于RL與VD5并聯，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，所以其最小穩定電流不得大于18毫安，否則將失去穩壓作用。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。
如圖-1，C1 為降壓電容器，D2 為半波整流二極管，D1 在市電的負半周時給C1 提供放電回路，D3 是穩壓二極管R1 為關斷電源后C1 的電荷泄放電阻。在實際應用時常常采用的是圖-2的所示的電路。當需要向負載提供較大的電流時，可采用圖-3 所示的橋式整流電路。整流后未經穩壓的直流電壓一般會高于30 伏，并且會隨負載電流的變化發生很大的波動，這是因為此類電源內阻很大的緣故所致，故不適合大電流供電的應用場合。1.電路設計時，應先測定負載電流的準確值，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C1 的充、放電電流越大。當負載電流Io 小于C1 的充放電電流時，多余的電流就會流過穩壓管，若穩壓管的最大允許電流Idmax 小于Ic-Io 時易造成穩壓管燒毀。
2.為保證C1 可*工作，其耐壓選擇應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泄放掉C1 上的電荷。
設計舉例圖-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 與負載電流Io 的關系可近似認為：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，在應用上要特別注意隔離，防止觸電。整流后未經穩壓的直流電壓一般會高于30伏，并且會隨負載電流的變化發生很大的波動，這是因為此類電源內阻很大的緣故所致，故不適合大電流供電的應用場合。電容降壓式電源是一種非隔離電源，在應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雜，他的工作原理是利用電容在一定的交流信號頻率下產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的電容所產生的容抗約為3180歐姆。當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生功耗，應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.根據這個特點，我們如果在一個1uF的電容器上再串聯一個阻性元件，則阻性元件兩端所得到的電壓和它所產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，在接到220V/50Hz的交流電壓上，燈泡被點亮，發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分配電容器和負載兩端電壓的角色。公眾號推薦：電源研發精英圈（已有7W+電源工程師關注）公眾號推薦：張飛實戰電子（已有10W+電子工程師關注）
