CN115664205A - 用于电容降压的恒流输入型稳压电源系统以及芯片 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于电容降压的恒流输入型稳压电源系统以及芯片。稳压电源系统包括桥式整流电路、恒压源、恒流源、电流检测电阻以及运算放大器，与电流检测电阻并联且同时与恒流源的电流设定端连接，用于检测电流检测电阻上流过的负载电流，并利用电压反馈的方式来控制并联在电源输入端的恒流源，将桥式整流电路的总输入电流控制为恒定电流。芯片将上述恒压源、恒流源、运算放大器通过低压CMOS工艺制成适用于电容降压的恒流输入型恒压芯片。本发明的有益效果为：可以获得电容降压技术的低成本小体积优势，又克服了电容降压技术的纹波大的缺点，可以使用个头很小的滤波电容，因而对大量无需隔离的从市电供电的小型无线设备有巨大的经济价值。

Description

用于电容降压的恒流输入型稳压电源系统以及芯片

技术领域

本发明涉及电子设备、电子器件技术领域，特别是一种用于电容降压的恒流输入型稳压电源系统以及芯片。

背景技术

随着电子技术和人工智能的发展，工业、医疗和消费类应用中，普遍使用的基于WiFi、蓝牙和Zigbee等技术的无线传感器。如果不是电池供电的微功耗传感器，都需要从市电取电。为了降低成本，如果直流供电电流小于5mA，可以用硅桥把220V交流整流到峰值311V左右的高压，然后用电阻分压的方式取电，最后使用线性稳压器稳压。用电阻从300V直流获取5mA电流，总功耗300V*0.005A=1.5W。如果直流电流在5mA~50mA范围，就是很尴尬的成本功耗体积决策难题。因为使用开关电源虽然体积小功耗低，但是需要使用耐压值650V以上的开关管，成本不是特别低。如果使用Fly-back等隔离降压技术，需要隔离变压器和隔离反馈，电路复杂，成本更高。

电容降压技术可以从交流侧降低供电电压，硅桥整流后的直流电压就比较低，然后可以使用低压CMOS工艺做的线性稳压芯片或者开关稳压芯片（需要一个外部电感），因此电容降压技术体积小成本低。电容降压的工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流，从而达到降压的目的。中国使用50Hz工频交流供电，欧美某些地区使用60Hz工频交流供电。在50Hz的工频条件下，一个1uF的电容所产生的容抗约为1/（2*3.14*50*0.000001）=3185欧姆。在220V市电中串入如此高容抗的元件，分压到整流硅桥后端的电压就很低了。电容的电流计算公式是2*3.14*f*C*U，其中f为交流电频率，C为电容容值，U为电压。根据公式计算可知使用1uF电容降压获取电流大约为69mA。因此阻容降压电路只适合于小功率和小电流的负载如电风扇、暖奶器、酸奶机、煮蛋器、拉发器，LED灯泡等等。

电容降压技术的好处是流经电容的电流和电容的电压相位不同（正交），不消耗有功功率，因而也不会产生额外的功耗。电容降压技术的一个缺点是会降低电网的功率因数（PF值比较低），这在小电流应用是允许的，因为市电上还有马达类感性负载。电容降压技术的另外一个缺点是的负载电流必须保持恒定。如果负载电流不断变化，稳压芯片的输入电压也会不断变化。虽然无线物联网模组等需要纹波很低的低压直流供电，但是无线物联网模组本身电流变化很大，例如分时（TDD）无线通信的收发电流经常有很大的差异，但大部分无线设备是TDD模式工作的。如果使用电容降压，稳压芯片的输入端电压变化很大很快。因为低成本的稳压芯片的电源抑制比（PSRR）指标，稳压输出的纹波就会很大，一般需要很大的滤波电容。大容量的电解电容通常体积很大，不利于模块进一步减小体积，因此需要新技术解决纹波问题。另外一个问题是无线通信模组在不需要收发数据时会进入工作电流仅仅数微安的待机状态，此时电容的容抗几乎不衰减交流电压，负载两端的电压会上升到击穿低成本稳压芯片的程度，因此需要使用钳位二极管来保护电路中有半导体器件。如果稳压芯片是线性稳压，可以使用尽可能低的钳位电压，从而降低总功耗。但是对于开关稳压的情况，使用很低的钳位电压会增加稳压芯片的输入电流，也就是要使用容抗较低的电容。因为整体电路要按照最低交流输入电压设计，这样在正常交流输入电压下的功耗会增加很多。因此，需要一种新的技术来实现小体积，低成本而功耗适中。

发明内容

本发明的目的在于：用于电容降压的恒流输入型稳压电源系统以及芯片，特别是一种应用于智能家居的小功率稳压电源的集成电路。

本发明通过如下技术方案实现： 用于电容降压的恒流输入型稳压电源系统，它包括

桥式整流电路，电路上设有滤波电容C2，交流电路上串入有电容C1，实现交流电转化为直流电；

恒压源，为常规线性稳压或者开关稳压的方式制成的恒压电源；

恒流源，连接有分流电阻Rshunt且并联于桥式整流电路的电源输入端Vin；

电流检测电阻Rsense，连接于桥式整流电路上；

运算放大器，与电流检测电阻Rsense并联且同时与恒流源的电流设定端Iset连接，用于检测电流检测电阻Rsense上流过的负载电流，并利用电压反馈的方式来控制并联在电源输入端Vin的恒流源，将桥式整流电路的总输入电流控制为恒定电流。

一种用于电容降压的恒流输入型稳压电源芯片，它包括

桥式整流电路，电路上设有滤波电容C2，交流电路上串入有电容C1，实现交流电转化为直流电；

恒压源，为常规线性稳压或者开关稳压的方式制成的恒压电源；

恒流源，连接有分流电阻Rshunt且并联于桥式整流电路的电源输入端Vin；

电流检测电阻Rsense，连接于桥式整流电路上；

运算放大器，与电流检测电阻Rsense并联且同时与恒流源的电流设定端Iset连接，用于检测电流检测电阻Rsense上流过的负载电流，并利用电压反馈的方式来控制并联在电源输入端Vin的恒流源，将桥式整流电路的总输入电流控制为恒定电流；

恒压源、恒流源、运算放大器通过低压CMOS工艺制成适用于电容降压的恒流输入型恒压芯片。

较之前技术而言，本发明的有益效果为：使用本发明的恒流输入型稳压电源技术，可以获得电容降压技术的低成本小体积优势，又克服了电容降压技术的纹波大的缺点，可以使用个头很小的滤波电容，因而对大量无需隔离的从市电供电的小型无线设备有巨大的经济价值。即便是需要隔离供电的场景，可以将电感换成隔离变压器，尺寸会有少量增加，仍然具有经济价值。

附图说明

图1为本发明所提的适用于电容降压的恒流输入型稳压电源技术的工作原理示意图。

图2为电容降压的线性稳压电源案例的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明对本发明做详细说明：

如图1所示：用于电容降压的恒流输入型稳压电源系统，其特征在于：桥式整流电路，电路上设有滤波电容C2，交流电路上串入有电容C1，实现交流电转化为直流电；

恒压源，为线性稳压或者开关稳压的方式的恒压电源；

恒流源，连接有分流电阻Rshunt, 且并联于桥式整流电路的电源输入端Vin取电；

电流检测电阻Rsense，连接于桥式整流电路上；

运算放大器，与电流检测电阻Rsense并联且同时与恒流源的电流设定端Iset连接，用于检测电流检测电阻Rsense上流过的负载电流，并利用电压反馈的方式来控制并联在电源输入端Vin的恒流源，将桥式整流电路的总输入电流控制为恒定电流；

如果稳压输出的负载电阻较小，输出电流较大，流经电流检测电阻Rsense上的电压差增大，通过运算放大器输出的恒流源电流设定端Iset的电位下降，从而减少恒流源的输出电流，恒流源分流电阻Rshunt上的电流减少，从而保持输入端Vin处的输入电流维持不变。反之，如果稳压输出的电流减小，就增加恒流源的输出电流，让电源输入端Vin处的输入电流保持不变。

一种用于电容降压的恒流输入型稳压电源芯片，它包括

桥式整流电路，电路上设有滤波电容C2，交流电路上串入有电容C1，实现交流电转化为直流电；

恒压源，为常规线性稳压或者开关稳压的方式制成的恒压电源；

恒流源，连接有分流电阻Rshunt且并联于桥式整流电路的电源输入端Vin取电；

电流检测电阻Rsense，连接于桥式整流电路上；

运算放大器，与电流检测电阻Rsense并联且同时与恒流源的电流设定端Iset连接，用于检测电流检测电阻Rsense上流过的负载电流，并利用电压反馈的方式来控制并联在电源输入端Vin的恒流源，将桥式整流电路的总输入电流控制为恒定电流；

恒压源、恒流源、运算放大器通过低压CMOS工艺制成适用于电容降压的恒流输入型恒压芯片。

基于用于电容降压的恒流输入型稳压电源系统，无需使用跟交流电整流对应最高直流电压的高压工艺，将恒流源，运算放大器，恒压源做成一个芯片，就是适用于电容降压的恒流输入型恒压芯片。其中，芯片设计中的恒压部分，可以根据需要，使用线性稳压技术，或者使用开关稳压技术。

如此设计，不管芯片的输出电流如何变化，总输入电流保持恒定，这样就解决了阻容降压电路中芯片输入电压随芯片输出电流变化的问题。就算芯片稳压部分的电源抑制（PSRR）有限，芯片输出纹波也不会很大。这样就减少了芯片输入端滤波电容C2的容量，减小了设备体积。另外，即使的负载（图1中用Rload表示）进入待机模式，芯片的输入电压也不会升高，作用跟钳位二极管类似。当然，为了防止交流输入电压过高，超过稳压芯片的耐压值，还是可以使用钳位二极管做双重保护，增加可靠性。

因为线性稳压时最低的钳位电压下功耗最小，钳位管稳压等效恒流输入起到的恒定稳压芯片输入电压的效果，因此该方案对线性稳压的情况收益不大。而使用开关电源技术稳定输出电压时，稳压芯片输入电压越高，稳压芯片输入电流越小。这时如果仍然使用最低的钳位电压，就增大了稳压芯片端的输入电流，因而只能选择容抗更低的大电容。因为降压型开关电源的最低输入电压（假设刚好等于输出电压）按照最低交流输入电压设计，因此正常工作时稳压芯片输入端电压会高于这个最低电压很多。如果钳位二极管的钳位电压很低，在正常交流电压输入时钳位二极管也导通，总功耗就会增大。所以实际上需要尽可能提高钳位电压，也就是钳位电压略低于降压型开关稳压芯片的击穿电压。也就是正常交流输入时，钳位二级管不会起到稳定降压型开关稳压芯片的输入电流的作用。因此，需要恒流输入方式的稳压电路，来解决电容降压方案中的纹波问题，从而可以使用更小体积的电容，减小体积降低成本。如果可靠性要求不高的消费类应用，去掉这个钳位二极管，也会从整体上降低功耗。

本发明提及的恒流输入型稳压电源技术，特别适合各种无线物联网技术（WIFI，蓝牙，ZigBee， Wi-SUN等）的小电流低噪声低成本稳压供电。如果是有线传输或者是被供电的模块需要控制其它大功率设备而需要隔离电源，可以使用隔离型开关电源方式，来避免共地问题导致的电路短路故障。

本发明的实际应用如下：

需要说明的是：直接从市电取电的设备很多。例如，假定某无线联网芯片需要稳定的3.3V电源，发射状态峰值电流150mA，接收状态峰值电流50mA，需要从220V交流市电的供电。如果直接使用硅桥（4个耐压值400V以上的二极管）做全桥整流，得到峰值电压311V的直流电（滤波电容C2的耐压值也要求400V以上）。此时使用电阻从311V分压取150mA电流供线性稳压芯片，那么峰值功耗将高达40多瓦，显然不适合。一般情况下，需要一个集成650V耐压值的功率管的开关电源芯片配合一个电感输出3.6V * 150mA的直流电，再用线性稳压器稳压到3.3V * 150mA。如果使用简单的BUCK降压方式，需要耐压值650V左右的开关管（MOSFET），而这种高压工艺生产的芯片很贵。如果使用Fly-back等隔离电源技术，将需要变压器和隔离反馈等，电路更复杂，成本更高。

现将0.68uF的无极性电容C1串到220V交流电火线上做电容降压。仍然使用硅桥做全桥整流，使用电容C2滤波（其中C1处的防止维修人员触电的放电电阻和输入端串联的防浪涌电阻没有画出也不考虑其压降）。电容C1在50Hz交流电的情况下产生的容抗约为4683.4欧姆。使用耐压值40V的CMOS工艺做一个降压型开关稳压芯片(BUCK型开关电源需要一个外部电感），并使用耐压值36V的钳位管做过压保护。此时电容C2的耐压值50V就够了，而不像电阻分压或者650V开关电源时必须耐压值400V以上电容，所以滤波电容体积变小成本变低。

假设开关电源效率90%以上，根据等功率计算，输出3.6V 电流150mA，8V 输入时电流75mA，9V输入时66mA，10V输入时电流60mA，13V输入时电流46mA，18V输入电流33mA，36V输入电流17mA。因为40mA时4683.4欧姆上分压187V，那么,在得到40mA的输入电流时硅桥输入220-187=33V交流。如果输入交流电压在200V~240V之间波动，为了得到40mA输入电流就等效于硅桥输入13V~53V交流。因为36V的钳位二极管在输入电压高于钳位电压时相当于短路，那么，240V输入时最大电流为（240-36）/4683.4=43.6mA（忽略硅桥压降和峰值影响）。考虑硅桥最低13V交流输入的情况，稳压芯片输入平均电压13V，峰值输入电压13*1.4=18.2V（忽略硅桥压降）而稳压芯片18V峰值输入时仅输入电流33mA，因此实际输入电压会高一些。当无线物联网芯片由发射状态切换到接收状态时，负载电流从150mA减为50mA时，输入电流同样减少到原来的1/3,基本上输入电压都会由钳位管钳位到36V,总电流仍然是（220-36）/4683.4=39mA。可见，随着200V~240V 输入电压的变化以及无线物联网芯片收发状态切换时，稳压芯片输入电压在13V到36V之间切换。因为一般无线收发芯片的收发切换很快，所以输入端电压变化也很快。因为稳压芯片的电源抑制比PSRR有限，输出纹波会很大。假设稳压芯片的PSRR为40dB（1%），那么，由于23V的输入电压变化导致的输出电压变化可以高达0.23V，这显然是不利于无线物联网芯片的稳定工作的。当然，稳压芯片输入输出端的滤波电容可以缓解这种电流脉动变化，这就需要个尺寸很大的滤波电容，不利于减小体积。现在如果使用恒流输入技术来做这个线性稳压芯片，在负载电流不论负载电流在50mA~150mA范围内怎么波动，输入电流可以设定为稳定在40mA。那么，200V交流输入时稳压芯片输入电压就稳定在13V，240V交流输入时由钳位二极管稳定在36V。一般市电电压变化不会很快，可以由输入电容进一步稳定。此时，输出电流的波动，不会导致稳压芯片输入电压的变化。因此，输出纹波大大降低，而且电路体积很小。正常功耗13V*40mA到36V*44mA计算功耗0.52瓦到1.58瓦特，虽然效率不高，但可以接受（其中0.5瓦左右为无线模块的实际功耗）。

下面用线性稳压方式说明本方案的恒流输入的具体实现方式。如图2所示，A1为线性稳压电源的误差放大器，输出电压VOUT经过电阻R1和电阻R2串电阻R3的分压电压跟1.2V参考电压比较，觉得输出电压VOUT，这个是线性稳压电路。使用放大器A3，将分流电阻Rshunt上的电压经过RF和RG分压后的反馈电压送到反相输入端，形成恒流源。其中，电阻R4与电阻R5串联，跟电阻R6分压设定放大器A3的工作点，就是ISET管脚设定恒流源的工作电流。

然后，再使用运算放大器A2，将稳压输出VOUT的输出电流用电流检测电阻(电流检测电阻Rsense)来检测，就是用运算放大器A2将电流检测电阻Rsense上的电压放大后反馈到恒流源中放大器A3的电流控制端电阻R5处。调整好运算放大器A2的增益和电阻R4，电阻R5与电阻R6的分压比例，让稳压输出VOUT的输出电流IOUT跟恒流源电路的电流Isense的总和保持恒定。

因为稳压芯片使用线性稳压，此时输入端VIN端输入电流和输出电流保持相等（忽略各运放以及各分压电阻的静态电流）。在即将输出到Rload的位置串接分流电阻的好处是可以避免电流检测运算放大器A2的输入级的共模电压跟该运算放大器A2的输入电压相同，从而降低该运放的设计难度。因为线性稳压输入跟输出电流相同，在线性稳压部分的输入端检测电流，需要考虑运放的共模电压。对于开关型稳压部分，电流检测只能放在开关电源输入端，设计中必须考虑电流检测运放工作在高共模输入电压下。

经过如此设计，该稳压芯片输入电流恒定，输出电压恒定。因此，在使用阻容降压时，输入电压不会随着VOUT端输出电流的变化而变化，从而降低了输出纹波。虽然电容降压技术功率因素PF值低，只适合小电流场景。但是因为采用恒流输入技术，滤波电容可以很小，整个电路体积很小，有利于整体封装到一个很小的无线传输模块中，而功耗也可以接受。总之，使用本发明的恒流输入型稳压电源技术，可以获得电容降压技术的低成本小体积优势，又克服了电容降压技术的纹波大的缺点，可以使用个头很小的滤波电容C2，因而对大量无需隔离的从市电供电的小型无线设备有巨大的经济价值。如果是需要隔离供电的场景，可以将电感换成隔离变压器，尺寸会有少量增加，仍然具有经济价值。

最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.用于电容降压的恒流输入型稳压电源系统，其特征在于：它包括

桥式整流电路，电路上设有滤波电容C2，交流电路上串入有电容C1，实现交流电转化为直流电；

恒压源，为常规线性稳压或者开关稳压的方式制成的恒压电源；

恒流源，连接有分流电阻Rshunt且并联于桥式整流电路的电源输入端Vin取电；

电流检测电阻Rsense，连接于桥式整流电路上；

运算放大器，与电流检测电阻Rsense并联且同时与恒流源的电流设定端Iset连接，用于检测电流检测电阻Rsense上流过的负载电流，并利用电压反馈的方式来控制并联在电源输入端Vin的恒流源，将桥式整流电路的总输入电流控制为恒定电流。

2.一种用于电容降压的恒流输入型稳压电源芯片，其特征在于它包括

桥式整流电路，电路上设有滤波电容C2，交流电路上串入有电容C1，实现交流电转化为直流电；

恒压源，为常规线性稳压或者开关稳压的方式制成的恒压电源；

恒流源，连接有分流电阻Rshunt且并联于桥式整流电路的电源输入端Vin取电；

电流检测电阻Rsense，连接于桥式整流输出和稳压输入电路上；

运算放大器，与电流检测电阻Rsense并联且同时与恒流源的电流设定端Iset连接，用于检测电流检测电阻Rsense上流过的负载电流，并利用电压反馈的方式来控制并联在电源输入端Vin的恒流源，将桥式整流电路的总输入电流控制为恒定电流；

恒压源、恒流源、运算放大器通过低压CMOS工艺制成适用于电容降压的恒流输入型恒压芯片。

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