阻容降壓

阻容降壓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，因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。

采用電容降壓時應注意以下幾點：

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負載，因為不安全。

4. 電容降壓不適合動態負載。

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， 因為全波整流產生浮置的地，并在零線和火線之間產生高壓，造成人體觸電傷害。而且要滿足恒定負載的條件。

容降壓式簡易電源的基本電路如圖1，C1為降壓電容器，VD2為半波整流二極管，VD1在市電的負半周時給C1提供放電回路，VD3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。

器件選擇

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可靠工作，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=14.5I，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。

阻容降壓電源設計簡單，元件少，制造和使用都較可靠，在家電、照明等行業大量應用。但隨著技術的發展，產品種類越來越多，通過電網對阻容降壓電源產生越來越大的影響，表現為電阻發熱嚴重，甚至引起火災，起火案例呈上升趨勢。國家消防電子產品質量監督檢驗中心2011年11月9日在《征求意見通知《電器產品消防安全通用要求》等三項》的意見是“民用電器產品中主電源降壓裝置不應使用阻容降壓方式”［1］。

許多廠家找不到原因，無法有效改進，給社會帶來嚴重隱患。本文通過理論分析、試驗測試、市場反饋調查，尋找阻容降壓電源起火的原因，進行針對性的改善，保護用戶的生命財產安全。

1 起火現象介紹

圖1為典型的阻容降壓電源原理圖，圖中MC2為起降壓作用的電容，R2為降低上電瞬間的浪涌電流的電阻（本文未特殊說明，所提到的電容和電阻就是這兩個元件）。起火的產品上，電阻下的PCB板發黑碳化，電阻溫度明顯過高，此高溫易引燃附近的塑料等易燃材料，最終引起火災。

2 起火原因分析

2.1 內部原因

2.1.1 設計分析

以圖1為例，電容容量C為1 ？滋F，電阻為20 Ω（2 W），輸入電壓UN和頻率fN分別為220 V、50 Hz，則電阻流過的電流IN近似為：

IN=2πfNCUN≈0.06 9 A（1）

電阻消耗的功率為：

實測電阻溫度小于10 kΩ，這不會讓電阻發熱，引起電路板損壞和著火。

2.1.2 失效模式分析

表1對圖1進行失效模式分析，找到電阻過熱的兩個可能原因：“電容虛焊”和“電阻虛焊”。這兩個原因會引起焊點頻繁打火，等效為電容短路，產生峰值為11 A的浪涌電流，如浪涌電流持續，會讓電阻過熱。但實際情況是，失效樣品上的這些焊接明顯是可靠的，“電容虛焊”和“電阻虛焊”不是電阻發熱的主要原因。

2.1.3 品質缺陷分析

圖1電路能通過《GB 4706.1 家用和類似用途電器的安全 第一部分：通用要求》所有測試標準，也能通過鹽霧、高溫高濕、高低溫交變等家電行業的常規測試，品質缺陷不是電阻發熱的原因。

2.2 外部原因

對電阻過熱的用戶抽樣4個，檢查能引起電阻過熱的外部原因，統計結果見表2。從表中可以看出，電磁爐是最可能的原因。

為了驗證電磁爐對阻容降壓電源的影響，隨機購買一個電磁爐，采用圖1電路，按圖2配置做了一個模擬測試，模擬用戶環境，將電磁爐與阻容電路共用一個插排，測量電阻的溫度。圖中電感的作用是將電磁爐的干擾與電網隔開，防止干擾傳到電網。

將電磁爐開到2 000 W，環境溫度為24 ℃，測試發現在1 min內，電阻的溫度上升到180 ℃，這種高溫能引起著火。

電磁爐的工作原理是由整流電路將市電變成約300 V的直流電壓，再經過控制電路以20～40 kHz的頻率開關IGBT，將高頻高壓加到電磁爐線圈盤上，產生的交變磁場在鍋具底部產生渦流，使鍋底迅速發熱，然后再加熱器具內的東西。

這種對高壓進行高頻通斷的操作方式產生強大的干擾，電磁爐行業因成本原因，一般都不會在電源端口加濾波元件，或加的濾波元件效果不大，端子騷擾電壓和騷擾功率遠遠高于其他家電標準，有大量的諧波信號耦合到電網中。高頻諧波信號施加到阻容降壓電路后，由于頻率與電容的容抗成反比，諧波將直接穿過電容，幾乎全部加到電阻上。實測干擾是幅值超過30 V、頻率與IGBT開關頻率的近似正弦波。

為具體說明電磁爐的影響，設電阻R為20 ，電容C為1 F，干擾頻率fr為20 kHz，干擾電壓Ur為30 V，計算加到電阻上的功率。

電容容抗XC：

電阻電流I：

電阻功率P：

P=I2R=38.8 W（5）

阻容降壓電源的電阻功率一般為2 W，如果加38.8 W，電阻溫度將非常高。

2.3 起火原因總結

從內部查找原因，不管是從設計、制造，還是從測試方法上，均不能找到電阻過熱的原因，而從外部原因上能分析得出電磁爐是最可能的原因。市場不良于2010年開始大量產生，同期國家正實施家電下鄉補貼政策，有大量的電磁爐銷售，這些情況表明電磁爐是電阻溫度過高、引起火災的重要原因。

3 阻容降壓電源的改進

3.1 理論分析

已經知道電磁爐能造成電阻過熱，進一步分析出微波爐、開關電源產品（手機充電器等）也有影響，它們的工作頻率均高于電磁爐，干擾能量低。對于高頻干擾，阻容降壓電路中串聯一個電感能抑制，如能抑制電磁爐的20 kHz的干擾，就能抑制更高頻率的電器干擾（其他電器干擾頻率高，但能量低），能防止目前市場上幾乎所有電器產生的干擾。

下面按圖1計算應能防干擾的電感的電感量L和電流。相關定義如下：

P：電阻最大功率，2 W；

R：電阻阻值，20 Ω；

C：電容容值，1 F；

UN：電網電壓，220 V；

fN：電網頻率，50 Hz；

T：電網周期，0.02 s；

IN：阻容降壓電源額定電流；

Ur：電磁爐干擾電壓，30 V；

fr：電磁爐干擾頻率，20 kHz以上；

Ir：電磁爐干擾電流；

I：電阻上總電流；

α：Ir與IN的相位差；

XL：電感在20 kHz時的感抗；

XC：電容在20 kHz時的容抗。

根據有效值的定義：

由于fr在20 kHz以上，式（6）后2項近似為零，由此得：

按式（7）得允許的最大電磁爐干擾電流為：

在電磁爐干擾時，有|（R+jXL-jXc）|Ir=Ur，所以電感的感抗XL為：

代入參數得XL=103.1 Ω

電感量L為：

取1.5 mH，計算出加了電感后的電路最終數據如下：

電阻所加最大功率P=I2×R=0.64 W。

為防止電感飽和，電感的電流規格應約為電阻總電流（0.179 A）的1.414倍，取0.25 A。所以圖1電阻過熱的解決方法是在阻容降壓電路上串聯一個1.5 mH/0.25 A的電感。

3.2 測試驗證

不同配置的阻容降壓電源串聯電感后，電阻的溫升數據見表3，可以看出溫升下降很多，改進有明顯效果。測試時有意選用電流低于理論值的電感，數據表明實際干擾低于理論值，電感均未飽和。

測試數據表明電感選型有以下規律：

（1）電感量選用大，就允許電流小，這對選用電感時考慮體積很重要。

（2）干擾抑制程度只與電感量有關系。電容容量和電阻阻值大時，應選用大電感量。

（3）電阻阻值過小時，發熱降低很多，但電流規格會大，需要考慮電感飽和。

4 總結

阻容降壓電源串聯電感能有效抑制電網上的各種諧波干擾，本方案實施已3年，生產約有300萬臺產品，未再有電阻過熱的案例發生。

實際應用時，電阻發熱會加熱電感，要考慮電感的居里溫度點，電感溫度超過居里溫度點就沒有感量。常見電感選用錳鋅鐵氧體（MX系列），居里溫度范圍為100±20 ℃，最低只有80 ℃。以風扇為例，夏天正常環境溫度為40 ℃，受到干擾后溫升為37 K，則電感溫度為77 ℃，可以保證正常工作；如果環境溫度為45 ℃，電感溫度將達到82 ℃，這將使一些電感失去感量，有一定的不良率。因此，設計時要讓電感盡量遠離電阻等發熱元件。

另外，本文僅從當前家電現狀進行分析，不排除會出現比電磁爐干擾更嚴重的電器產品出現，對此處理方法是：（1）確定電感規格時，優選大電感量，擴大電感對干擾的抑制范圍；（2）采用非隔離BULK式開關電源。隨著開關電源芯片的大量普及使用，成本已經和阻容降壓電源相當。