浅谈阻容降压电源的隐患

　　阻容降压

 

　　阻容降压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。

 

　　例如，在50Hz的工频条件下，一个1uF的电容所产生的容抗约为3180欧姆。当220V的交流电压加在电容器的两端，则流过电容的最大电流约为70mA。虽然流过电容的电流有70mA，但在电容器上并不产生功耗，因为如果电容是一个理想电容，则流过电容的电流为虚部电流，它所作的功为无功功率。根据这个特点，我们如果在一个1uF的电容器上再串联一个阻性元件，则阻性元件两端所得到的电压和它所产生的功耗完全取决于这个阻性元件的特性。例如，我们将一个110V/8W的灯泡与一个1uF的电容串联，在接到220V/50Hz的交流电压上，灯泡被点亮，发出正常的亮度而不会被烧毁。因为110V/8W的灯泡所需的电流为8W/110V=72mA，它与1uF电容所产生的限流特性相吻合。同理，我们也可以将5W/65V的灯泡与1uF电容串联接到220V/50Hz的交流电上，灯泡同样会被点亮，而不会被烧毁。因为5W/65V的灯泡的工作电流也约为70mA。因此，电容降压实际上是利用容抗限流。而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。

 

　　采用电容降压时应注意以下几点：

 

　　1. 根据负载的电流大小和交流电的工作频率选取适当的电容，而不是依据负载的电压和功率。

 

　　2. 限流电容必须采用无极性电容，绝对不能采用电解电容。而且电容的耐压须在400V以上。最理想的电容为铁壳油浸电容。

 

　　3. 电容降压不能用于大功率负载，因为不安全。

 

　　4. 电容降压不适合动态负载。

 

　　5. 同样，电容降压不适合容性和感性负载。

 

　　6. 当需要直流工作时，尽量采用半波整流。不建议采用桥式整流， 因为全波整流产生浮置的地，并在零线和火线之间产生高压，造成人体触电伤害。而且要满足恒定负载的条件。

 

　　容降压式简易电源的基本电路如图1，C1为降压电容器，VD2为半波整流二极管，VD1在市电的负半周时给C1提供放电回路，VD3是稳压二极管，R1为关断电源后C1的电荷泄放电阻。在实际应用时常常采用的是图2的所示的电路。当需要向负载提供较大的电流时，可采用图3所示的桥式整流电路。

 

　　器件选择

 

　　1.电路设计时，应先测定负载电流的准确值，然后参考示例来选择降压电容器的容量。因为通过降压电容C1向负载提供的电流Io，实际上是流过C1的充放电电流Ic。C1容量越大，容抗Xc越小，则流经C1的充、放电电流越大。当负载电流Io小于C1的充放电电流时，多余的电流就会流过稳压管，若稳压管的最大允许电流Idmax小于Ic-Io时易造成稳压管烧毁。

 

　　2.为保证C1可靠工作，其耐压选择应大于两倍的电源电压。

 

　　3.泄放电阻R1的选择必须保证在要求的时间内泄放掉C1上的电荷。

 

　　设计举例

 

　　图2中，已知C1为0.33μF，交流输入为220V/50Hz，求电路能供给负载的最大电流。

 

　　C1在电路中的容抗Xc为：

 

　　Xc=1 /（2 πf C）= 1/（2*3.14*50*0.33*10-6）= 9.65K

 

　　流过电容器C1的充电电流（Ic）为：

 

　　Ic = U / Xc = 220 / 9.65 = 22mA。

 

　　通常降压电容C1的容量C与负载电流Io的关系可近似认为：C=14.5I，其中C的容量单位是μF，Io的单位是A。

 

　　电容降压式电源是一种非隔离电源，在应用上要特别注意隔离，防止触电。

　　阻容降压电源设计简单，元件少，制造和使用都较可靠，在家电、照明等行业大量应用。但随着技术的发展，产品种类越来越多，通过电网对阻容降压电源产生越来越大的影响，表现为电阻发热严重，甚至引起火灾，起火案例呈上升趋势。国家消防电子产品质量监督检验中心2011年11月9日在《征求意见通知《电器产品消防安全通用要求》等三项》的意见是“民用电器产品中主电源降压装置不应使用阻容降压方式”［1］。

　　许多厂家找不到原因，无法有效改进，给社会带来严重隐患。本文通过理论分析、试验测试、市场反馈调查，寻找阻容降压电源起火的原因，进行针对性的改善，保护用户的生命财产安全。

　　1 起火现象介绍

　　图1为典型的阻容降压电源原理图，图中MC2为起降压作用的电容，R2为降低上电瞬间的浪涌电流的电阻（本文未特殊说明，所提到的电容和电阻就是这两个元件）。起火的产品上，电阻下的PCB板发黑碳化，电阻温度明显过高，此高温易引燃附近的塑料等易燃材料，最终引起火灾。

　　2 起火原因分析

　　2.1 内部原因

　　2.1.1 设计分析

　　以图1为例，电容容量C为1 ？滋F，电阻为20 Ω（2 W），输入电压UN和频率fN分别为220 V、50 Hz，则电阻流过的电流IN近似为：

　　IN=2πfNCUN≈0.06 9 A（1）

　　电阻消耗的功率为：

　　

　　实测电阻温度小于10 kΩ，这不会让电阻发热，引起电路板损坏和着火。

　　2.1.2 失效模式分析

　　表1对图1进行失效模式分析，找到电阻过热的两个可能原因：“电容虚焊”和“电阻虚焊”。这两个原因会引起焊点频繁打火，等效为电容短路，产生峰值为11 A的浪涌电流，如浪涌电流持续，会让电阻过热。但实际情况是，失效样品上的这些焊接明显是可靠的，“电容虚焊”和“电阻虚焊”不是电阻发热的主要原因。

　　2.1.3 品质缺陷分析

　　图1电路能通过《GB 4706.1 家用和类似用途电器的安全 第一部分：通用要求》所有测试标准，也能通过盐雾、高温高湿、高低温交变等家电行业的常规测试，品质缺陷不是电阻发热的原因。

　　2.2 外部原因

　　对电阻过热的用户抽样4个，检查能引起电阻过热的外部原因，统计结果见表2。从表中可以看出，电磁炉是最可能的原因。

　　为了验证电磁炉对阻容降压电源的影响，随机购买一个电磁炉，采用图1电路，按图2配置做了一个模拟测试，模拟用户环境，将电磁炉与阻容电路共用一个插排，测量电阻的温度。图中电感的作用是将电磁炉的干扰与电网隔开，防止干扰传到电网。

　　将电磁炉开到2 000 W，环境温度为24 ℃，测试发现在1 min内，电阻的温度上升到180 ℃，这种高温能引起着火。

　　电磁炉的工作原理是由整流电路将市电变成约300 V的直流电压，再经过控制电路以20～40 kHz的频率开关IGBT，将高频高压加到电磁炉线圈盘上，产生的交变磁场在锅具底部产生涡流，使锅底迅速发热，然后再加热器具内的东西。

　　这种对高压进行高频通断的操作方式产生强大的干扰，电磁炉行业因成本原因，一般都不会在电源端口加滤波元件，或加的滤波元件效果不大，端子骚扰电压和骚扰功率远远高于其他家电标准，有大量的谐波信号耦合到电网中。高频谐波信号施加到阻容降压电路后，由于频率与电容的容抗成反比，谐波将直接穿过电容，几乎全部加到电阻上。实测干扰是幅值超过30 V、频率与IGBT开关频率的近似正弦波。

　　为具体说明电磁炉的影响，设电阻R为20 ，电容C为1 F，干扰频率fr为20 kHz，干扰电压Ur为30 V，计算加到电阻上的功率。

　　电容容抗XC：

　　电阻电流I：

　　电阻功率P：

　　P=I2R=38.8 W（5）

　　阻容降压电源的电阻功率一般为2 W，如果加38.8 W，电阻温度将非常高。

　　2.3 起火原因总结

　　从内部查找原因，不管是从设计、制造，还是从测试方法上，均不能找到电阻过热的原因，而从外部原因上能分析得出电磁炉是最可能的原因。市场不良于2010年开始大量产生，同期国家正实施家电下乡补贴政策，有大量的电磁炉销售，这些情况表明电磁炉是电阻温度过高、引起火灾的重要原因。

　　3 阻容降压电源的改进

　　3.1 理论分析

　　已经知道电磁炉能造成电阻过热，进一步分析出微波炉、开关电源产品（手机充电器等）也有影响，它们的工作频率均高于电磁炉，干扰能量低。对于高频干扰，阻容降压电路中串联一个电感能抑制，如能抑制电磁炉的20 kHz的干扰，就能抑制更高频率的电器干扰（其他电器干扰频率高，但能量低），能防止目前市场上几乎所有电器产生的干扰。

　　下面按图1计算应能防干扰的电感的电感量L和电流。相关定义如下：

　　P：电阻最大功率，2 W；

　　R：电阻阻值，20 Ω；

　　C：电容容值，1 F；

　　UN：电网电压，220 V；

　　fN：电网频率，50 Hz；

　　T：电网周期，0.02 s；

　　IN：阻容降压电源额定电流；

　　Ur：电磁炉干扰电压，30 V；

　　fr：电磁炉干扰频率，20 kHz以上；

　　Ir：电磁炉干扰电流；

　　I：电阻上总电流；

　　α：Ir与IN的相位差；

　　XL：电感在20 kHz时的感抗；

　　XC：电容在20 kHz时的容抗。

　　根据有效值的定义：

　　由于fr在20 kHz以上，式（6）后2项近似为零，由此得：

　　按式（7）得允许的最大电磁炉干扰电流为：

　　在电磁炉干扰时，有|（R+jXL-jXc）|Ir=Ur，所以电感的感抗XL为：

　　代入参数得XL=103.1 Ω

　　电感量L为：

　　取1.5 mH，计算出加了电感后的电路最终数据如下：

　　电阻所加最大功率P=I2×R=0.64 W。

　　为防止电感饱和，电感的电流规格应约为电阻总电流（0.179 A）的1.414倍，取0.25 A。所以图1电阻过热的解决方法是在阻容降压电路上串联一个1.5 mH/0.25 A的电感。

　　3.2 测试验证

　　不同配置的阻容降压电源串联电感后，电阻的温升数据见表3，可以看出温升下降很多，改进有明显效果。测试时有意选用电流低于理论值的电感，数据表明实际干扰低于理论值，电感均未饱和。

　　测试数据表明电感选型有以下规律：

　　（1）电感量选用大，就允许电流小，这对选用电感时考虑体积很重要。

　　（2）干扰抑制程度只与电感量有关系。电容容量和电阻阻值大时，应选用大电感量。

　　（3）电阻阻值过小时，发热降低很多，但电流规格会大，需要考虑电感饱和。

　　4 总结

　　阻容降压电源串联电感能有效抑制电网上的各种谐波干扰，本方案实施已3年，生产约有300万台产品，未再有电阻过热的案例发生。

　　实际应用时，电阻发热会加热电感，要考虑电感的居里温度点，电感温度超过居里温度点就没有感量。常见电感选用锰锌铁氧体（MX系列），居里温度范围为100±20 ℃，最低只有80 ℃。以风扇为例，夏天正常环境温度为40 ℃，受到干扰后温升为37 K，则电感温度为77 ℃，可以保证正常工作；如果环境温度为45 ℃，电感温度将达到82 ℃，这将使一些电感失去感量，有一定的不良率。因此，设计时要让电感尽量远离电阻等发热元件。

　　另外，本文仅从当前家电现状进行分析，不排除会出现比电磁炉干扰更严重的电器产品出现，对此处理方法是：（1）确定电感规格时，优选大电感量，扩大电感对干扰的抑制范围；（2）采用非隔离BULK式开关电源。随着开关电源芯片的大量普及使用，成本已经和阻容降压电源相当。