CN116633124A - 一种适用于交直流电的恒流稳压电路 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种适用于交直流电的恒流稳压电路，包括依次串联的恒流模块和双向TVS二极管，其中：所述恒流模块包括一电阻器和一二极管，所述电阻器和二极管串联；所述双向TVS二极管两端为所述恒流稳压电路输出端。本申请采用了简单的电路和低成本的低压晶体管，能够很好的抗住几千伏的浪涌冲击，保护后端电路。只需根据实际需求改变核心器件TVS二极管的参数，就能实现智能小家电所需要的较稳定的多种电压输出，成为输出不同功率的小功率高压降压电源。

Description

一种适用于交直流电的恒流稳压电路

技术领域

本申请涉及电源电路领域，特别是涉及一种适用于交直流电的恒流稳压电路。

背景技术

在实际研发和生产中，研发工程师会遇到越来越多只需要低电压和豪安级电流供电的设备和系统单元。典型例子包括但不限于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等。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、接入物联网的网络设备等。

传统的电源在这么低的功率范围内具有很多缺点，如果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。

常见的阻容降压电路实质上指的是以电容降压（容抗恒流I=U/Z）为主，串联并联各种保护电阻的实用电路方案。阻容降压实际上就是利用电容在一定频率的交流信号下产生的容抗来限制最大工作电流的电路。在阻容降压电路中，电容器实际上起到限制电流和动态分配电容器及负载两端电压的功能，它的成本明显低于使用变压器进行降压的方案。

阻容降压电路以设计简单、成本低、体积小、装配方便等优点，广泛应用在小家电面板控制、小功率LED、酒店门控、电表等领域，一般这种设计只适合于小功率和小电流的负载(建议小于100mA)。如电风扇、暖奶器、酸奶机、煮蛋器、拉发器等等。

但是在长期产品的实践看来，阻容降压往往存在一些问题，例如，随着电容器的使用时间增长，电容器的容量将大幅减小，造成电源故障。选择好的电容成为大多数设计者的优选考虑，但是专门的降压电容不仅昂贵，而且体积巨大，完全抛弃了阻容降压电路的优点（体积小），因此，市面上海量的阻容降压产品中，也没有几个是使用专用电容的。而且，阻容降压的产品寿命不长，多则2、3年，少则半年1年，电容器衰减得厉害，产品就损坏。

阻容降压常用的高压CBB电容（聚丙烯电容），从其制作工艺上来说，可靠性是差别不大的。包括X2电容（X2抑制电源电磁干扰用电容器）和专用的降压电容等在内的电容器，其衰减仍然都是在所难免的。所以如何保护电容器在尽量长的时间内，尽量少被击穿，才是避免电容器容量减少的本质保护措施，这也就是为什么主电容器前面的π型LCR防护电路是不能觉得没用就去除的最大原因。

如图1所示，是一款比较简单的电容降压电路，经过简单的改进，非常受消费类小厂的青睐，成本很低。此类电路在实验室测试时，会让人感觉已经足够稳定，但在大批量民间消费类应用中，此类电路极其容易出问题，而且发生的问题会莫名其妙，比如显示温度的数码管经常会乱跳、显示控制单元死机等，拆开研究的结果，有时候往往是供电不足导致的，但是这种故障又极其难以复现，故障随机出现（比如潮湿的天气、高温的天气等等），而且随着时间推移，此类阻容降压电源电路导致的产品问题会层出不穷，例如，经常出现无故烧毁、炸穿的现象，烧焦并烤黑PCB板，稳压管炸飞，后级单片机击穿等问题。

针对上述中的相关技术，发明人认为市面上常见的低成本电子变压器，又很难扛得住雷击浪涌的各种电磁兼容测试，传统高压降压电路存在性能和可靠性矛盾突出的问题。

发明内容

为了获得性能和可靠性均较高的降压电源，本申请提供一种适用于交直流电的恒流稳压电路。

本申请提供一种适用于交直流电的恒流稳压电路，采用如下的技术方案：

一种适用于交直流电的恒流稳压电路，包括依次串联的恒流模块和双向TVS二极管，其中：

所述恒流模块包括一电阻器和一二极管，所述电阻器和二极管串联；

所述双向TVS二极管两端为所述恒流稳压电路输出端。

可选的，所述二极管为整流二极管。

可选的，所述二极管为单向TVS二极管。

可选的，所述二极管为双向TVS二极管。

可选的，所述恒流模块还串联一整流二极管。

可选的，所述恒流稳压电路输出端还串联一整流二极管。

可选的，所述恒流稳压电路输出端还并联一电容器。

可选的，所述恒流稳压电路输出端还并联一稳压电路。

可选的，所述稳压电路包括依次串联的电阻器和稳压二极管，所述稳压二极管两端为所述稳压电路输出端。

可选的，所述稳压电路包括三极管、电阻器和稳压二极管，所述三极管集电极和电阻器一端作为所述稳压电路输入端，所述三极管基极连接所述电阻器另一端和稳压二极管阴极，所述三极管发射极作为所述稳压电路输出端，所述稳压二极管阳极接地。

综上所述，本申请采用了简单的电路和低成本的低压晶体管，能够很好的抗住几千伏的浪涌冲击，保护后端电路。只需根据实际需求改变核心器件TVS二极管的参数，就能实现智能小家电所需要的较稳定的多种电压输出，成为输出不同功率的小功率高压降压电源。

附图说明

图1为相关技术中电容降压电路原理图。

图2为本申请一实施例恒流稳压电路原理图。

图3为本申请另一实施例恒流稳压电路原理图。

图4为本申请又一实施例恒流稳压电路原理图。

图5为本申请一实施例加入稳压电路的原理图。

图6为本申请一实施例加入整流和稳压电路的原理图。

图7为本申请另一实施例加入稳压电路的原理图。

图8为本申请另一实施例加入整流和稳压电路的原理图。

具体实施方式

瞬态电压抑制二极管（Transient Voltage Suppressor）简称TVS二极管，是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10的负12次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压钳位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。

传统的稳压二极管电源系统，因为稳压二极管本身的耗散功率较小，贴片封装的通常为100mW左右，最大1-2w的稳压二极管采用的都是金属壳插件封装，价格较贵且占PCB面积大，小家电产品受到体积和成本的影响，基本上是不会选用的。要想使用便宜的小功率稳压二极管输出较实用的功率，必须采用大功率的三极管等进行扩流，这又会极大增加系统的整体成本。而TVS二极管作为近十年来的新颖半导体，已经在各种防护和保护电路中普及开了，其价格也降到了和普通小功率稳压二极管的水平。

TVS二极管的瞬时吸收脉冲的功率普遍达到5000W以上，持续的耗散功率也远远超过普通稳压二极管，所以可以使用击穿电压符合要求的TVS二极管，在保证可靠性的基础上，直接输出实用的小功率（例如0.5-2W左右）。

小功率电源在认证时，经常容易遇到的例如ESD、浪涌测试等问题。而在本申请实施例的方案中，由于采用了TVS二极管，上述认证中遇到的ESD、浪涌测试等问题基本上就迎刃而解了。

本申请采用TVS二极管作为核心器件，设计了满足智能小家电电器的、较稳定的、可输出多种电压、可输出不同功率的小功率高压降压电源，主要应用于小功率电源中，有别于传统的电源系统，其核心采用的是大功率的TVS二极管器件，即利用TVS二极管的雪崩击穿特性构造稳压恒流源，直接代替传统电源，而不需要采用小功率的稳压二极管或者基准集成电路加上功率开关构成元器件数量众多且电路较复杂的电路设计。

下面结合说明书附图对本申请适用于交直流电的恒流稳压电路的实施例作详细描述，但该实施例不应理解为对本申请的限制。

如图2所示，本申请实施例提供一种适用于交直流电的恒流稳压电路，包括依次串联的第十一电阻器R11、整流二极管D和第十一双向TVS二极管TVS11，其中，所述整流二极管D阳极连接所述第十一电阻器R11，阴极连接所述第十一双向TVS二极管TVS11，所述第十一双向TVS二极管TVS11两端为所述恒流稳压电路输出端。

TVS二极管的瞬态功率普遍超过1500W，甚至能达到5000W，耗散功率PD普遍在5W以上，远远大于普通稳压管的水平（0.1W-1W）。对于智能电器的低功耗应用，不需要扩流电路，可以采用类似并联稳压的形式直接从TVS二极管上就可以获得较低电压的小功率输出（如小于2W）；同时还能有效抑制外部的瞬变干扰。在本实施例中，利用了TVS的大功率特性，采用双向TVS二极管直接代替稳压管进行稳压，进行第一级、初步的并联式稳压，同时抑制瞬变。

如图3所示，本申请实施例提供一种适用于交直流电的恒流稳压电路，包括依次串联的第二十一电阻器R21、单向TVS二极管TVSD和第二十一双向TVS二极管TVS21，其中，所述单向TVS二极管TVSD阳极连接所述第二十一电阻器R21，阴极连接所述第二十一双向TVS二极管TVS21，所述第二十一双向TVS二极管TVS21两端为所述恒流稳压电路输出端。

在本实施例中，利用TVS二极管的单向导通特性进行交流的全波或者半波整流，省掉了一个或者4个普通的交流整流管，同时还能极大的抑制外部的瞬变干扰。

如图4所示，本申请实施例提供一种适用于交直流电的恒流稳压电路，包括依次串联的第三十一电阻器R31、第三十二双向TVS二极管TVS32和第三十一双向TVS二极管TVS31，所述第三十一双向TVS二极管TVS31两端为所述恒流稳压电路输出端。可以理解的是，从物料和成本角度，第三十一双向TVS二极管TVS31和第三十二双向TVS二极管TVS32还可以选择同样型号的器件，能极大的简化传统的高压降压电路。

在本实施例中，利用了双向TVS二极管的击穿特性，对交流进行降压和稳压，完全没有铁芯变压器笨重昂贵发热等等毛病，同时还能有效抑制外部的瞬变干扰。

可以近似的认为：第三十二双向TVS二极管TVS32与第三十一电阻器R31构成一个恒流源，第三十一双向TVS二极管TVS31构成一个稳压源。本申请的恒流稳压电路适用于高压直流输入，也适用于高压交流输入，本实施例中，Vin为交流输入，如市电220V。

因为TVS二极管的击穿特性，所以VAB基本上是恒定的，当上电后，电源经过输出端VO上的负载到达第三十二双向TVS二极管TVS32两端，当VAC两端电压超过第三十二双向TVS二极管TVS32的击穿电压，第三十二双向TVS二极管TVS32会动作形成雪崩击穿效果，让VAC两端的电压迅速下降。因为TVS二极管的击穿电压基本上是在小范围内波动的，所以第三十一电阻器R31两端的电压基本上也是在小范围内波动，而VCB同样被钳位在第三十一双向TVS二极管TVS31的击穿电压附近。如果空负载或者轻负载，总电流I基本上全部流经第三十一双向TVS二极管TVS31，其上的电流I1基本上等于总电流I。实际应用中，输出端VO有负载，总电流I会被分流，负载处形成分电流I2，所以VCB实际的电压会略小于第三十一双向TVS二极管TVS31的击穿电压，近似于稳压的效果。经过电阻器与两只TVS二极管的组合，就可以实现将高压降压到适合的预设范围，比如将220V降到100V以内。

因为VAB两端的电压基本上是恒定的，所以流经第三十一电阻器R31的电流基本上也是恒定的，电路构造整体看上去类似基本的直流稳压电源，不同的是，因为采用了双向TVS二极管，所以也同样适用于交流的降压。

可以理解的是，由于第三十一双向TVS二极管TVS31上的压降较大（大约30-100V左右），在没有负载或者轻载的时候，总电流I全部流经第三十一双向TVS二极管TVS31，如果设定较大的总电流I会产生较大的热量，进而损害电路的寿命，如果设定很小的总电流I又会导致电路方案不实用（输出功率太小）。考虑到目前的硅工艺半导体的功耗降额（芯片核心温升），总电流I会被限制到比较实用的1-20mA，以保证经过本申请实施例的电路降压后，输出功率和现有技术中的阻容降压电源是相当的，同时整个电路的空载功耗比较低，如20mA时TVS的空载功耗会被限制在2W范围以内。

上述电路保持了阻容降压的恒流特点，但是使用体积很小且可靠性很高的贴装半导体和装焊工艺，替换了体积大且可靠性低的高压电容和插装焊接生产工艺，实现了成本更低，但可靠性更佳的高压降压的小功率稳压电源。

可以理解的是，第三十一双向TVS二极管TVS31构成的近似稳压源与负载构成并联的关系，但流经第三十一电阻器R31的总电流是恒定的，基本上由两只TVS二极管的击穿电压和第三十一电阻器R31的阻值决定。输出端VO负载的最大电流I2会略小于总电流I，当I2变大（负载加重），I1会变小，第三十一双向TVS二极管TVS31所在的回路功耗会减小（所以实际使用中，建议负载不要波动太大，避免TVS2的损耗变为不确定），此时负载两端的电压是随着负载变化的，如果负载需要比较稳定的电压，需要加入适当的整流和稳压措施。

如图5所示，所述稳压电路包括依次串联的第四十二电阻器R42和第四十二稳压二极管D42，所述第四十二稳压二极管D42两端为所述稳压电路输出端，用于连接负载。可以理解的是，在本实施例中，由于加入的稳压电路只适用于直流电，因此，该方案只适用于直流电，如果要用于交流电场景，则可以在降压稳压之前或降压稳压之后加入全波或半波整流。

如图6所示，在降压稳压之前加入半波整流，即：在所述第四十一电阻器R41和第四十二双向TVS二极管TVS42之间串联第四十一整流二极管D41。所述恒流稳压电路输出端还可以并联一电容器C41。在本实施例中，加入了一个低成本的半波整流，能够使得交流变成直流，同时可以省掉3个二极管，节约成本。

如图7所示，所述稳压电路包括第五十一三极管Q51、第五十二电阻器R52和第五十二稳压二极管D52，所述第五十一三极管Q51集电极和第五十二电阻器R52一端作为所述稳压电路输入端，所述第五十一三极管Q51基极连接所述第五十二电阻器R52另一端和第五十二稳压二极管D52阴极，所述第五十一三极管Q51发射极作为所述稳压电路输出端，所述第五十二稳压二极管D52阳极接地。可以理解的是，在本实施例中，由于加入的稳压电路只适用于直流电，因此，该方案只适用于直流电，如果要用于交流电场景，则可以在降压稳压之前或降压稳压之后加入全波或半波整流。

如图8所示，在降压稳压之后加入半波整流，即：在所述恒流稳压电路输出端串联第五十一整流二极管D51。因为第五十一双向TVS二极管TVS51和第五十二双向TVS二极管TVS52基本上是交流分压，因此需要第五十一整流二极管D51进行整流，第五十一三极管Q51作为简易稳压电路，使得输出的电压较为稳定；另外，还可以在第五十二稳压二极管D52两端并联一个电容（图中未视出），从而构成一个电子滤波器，能够极大降低半波整流的纹波。

智能小家电方案中会需要很多种的电压类型，采用本申请实施例的电路可以对常见的应用进行覆盖，而且性价比较高，稳定性强，极大的改善了产品的生命周期，满足EMC，可以实现多种功率，多种电压输出，全贴件占用PCB面积小，高可靠性等。

本申请实施例适用于替代阻容降压电路，应用在小功率非隔离降压电源上，如待机电源等；此外，也可以应用于以下场景：

家用或者商用的智能电器，为他们提供低待机、小功率市电供电电源；

狭小空间内的微型设备，这些微型设备对电源的体积很敏感，需要很小的体积，如水下机器人传感器；

需要出口到国外，必需过UL，CE，CCC等等认证的电源及产品；

对可靠性要求高的场合，要求长寿命的产品；本申请实施例无需高压电解电容、X电容等，而是采用TVS二极管，使用寿命高；

可以使用扩展来驱动常见的高功率负载，如带继电器、可控硅等；

交流应用：需要对交流进行降压和稳压的最简洁应用；

对成本敏感的应用，提供比阻容降压更低成本、更小体积、更可靠功能更强的电源。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其他的方式实现。所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为单独的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备或处理器执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。

以上实施例仅用以对本申请的技术方案进行详细介绍，但以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想，不应理解为对本申请的限制。本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于交直流电的恒流稳压电路，其特征在于，包括依次串联的恒流模块和双向TVS二极管，其中：

所述恒流模块包括一电阻器和一二极管，所述电阻器和二极管串联；

所述双向TVS二极管两端为所述恒流稳压电路输出端。

2.如权利要求1所述的适用于交直流电的恒流稳压电路，其特征在于：所述二极管为整流二极管。

3.如权利要求1所述的适用于交直流电的恒流稳压电路，其特征在于：所述二极管为单向TVS二极管。

4.如权利要求1所述的适用于交直流电的恒流稳压电路，其特征在于：所述二极管为双向TVS二极管。

5.如权利要求4所述的适用于交直流电的恒流稳压电路，其特征在于：所述恒流模块还串联一整流二极管。

6.如权利要求4所述的适用于交直流电的恒流稳压电路，其特征在于：所述恒流稳压电路输出端还串联一整流二极管。

7.如权利要求5或6所述的适用于交直流电的恒流稳压电路，其特征在于：所述恒流稳压电路输出端还并联一电容器。

8.如权利要求5或6所述的适用于交直流电的恒流稳压电路，其特征在于：所述恒流稳压电路输出端还并联一稳压电路。

9.如权利要求8所述的适用于交直流电的恒流稳压电路，其特征在于：所述稳压电路包括依次串联的电阻器和稳压二极管，所述稳压二极管两端为所述稳压电路输出端。

10.如权利要求8所述的适用于交直流电的恒流稳压电路，其特征在于：所述稳压电路包括三极管、电阻器和稳压二极管，所述三极管集电极和电阻器一端作为所述稳压电路输入端，所述三极管基极连接所述电阻器另一端和稳压二极管阴极，所述三极管发射极作为所述稳压电路输出端，所述稳压二极管阳极接地。