1. 引言
在家电控制板、简单指示/继电驱动、电表、传统定时/温控等场合，经常需要从 AC220V（或 AC110V）取得几十毫安的直流低压电源。若输出电流很小（典型 5–80mA）、成本/体积极度敏感、且电路被完全封闭不可触及，就会考虑“电容降压”（更准确地说是“电容限流”）方案。该方案利用串联安规电容产生容抗限制电流，而非真正“降压变换”。因此它与隔离式变压器或开关电源在安全属性上截然不同：输出与市电电气上直接相连，不具备安全隔离。
2. 工作原理概述
串联一个交流安规 X2 电容 Cx，电容的容抗 XC=12πfCXC=2πfC1 限制流过后级的交流电流。电容本身理想状况下不消耗有功功率（只产生无功功率），因此其发热远低于电阻限流方式。经整流、滤波后得到脉动直流，再由齐纳管或 LDO 等方式稳压成近似恒定的低压输出。
3. 与变压器/隔离式电源的对比
| 维度 | 电容限流 | 小型工频变压器 | 隔离式反激/充电器类 |
|---|---|---|---|
| 安全隔离 | 无 | 有 | 有 |
| 输出可触及性 | 禁止（除非再加隔离） | 允许 | 允许 |
| 成本（小电流） | 极低 | 中 | 中/略高 |
| 体积（≤0.5W） | 很小 | 大 | 小（但稍复杂） |
| 温升/效率 | 有功效率较低（视稳压方式） | 中等 | 中高 |
| 输出电流扩展 | 困难（C 急速放大，体积/浪涌风险提升） | 次优 | 易扩展 |
| EMI/浪涌鲁棒性 | 弱 | 强 | 视设计 |
4. 可获得电流的估算
理想交流电流（RMS）由串联电容决定： IAC=VrmsXC=2πfCVrmsIAC=XCVrms=2πfCVrms
将其换算为整流后可持续的平均直流输出电流，需要考虑整流方式与波形占空。常用工程经验系数如下（在有合适滤波电容且负载接近恒定时的估计）：
- 半波整流平均可用直流电流： IDC,half≈0.44×VrmsXC=0.44×2πfCVrmsIDC,half≈0.44×XCVrms=0.44×2πfCVrms
- 全波整流平均可用直流电流： IDC,full≈0.89×VrmsXC=0.89×2πfCVrmsIDC,full≈0.89×XCVrms=0.89×2πfCVrms
以 50Hz、220Vac、C=1µF 为例： IDC,half≈0.44×2π×50×1μF×220≈30mAIDC,half≈0.44×2π×50×1μF×220≈30mA IDC,full≈0.89×2π×50×1μF×220≈60mAIDC,full≈0.89×2π×50×1μF×220≈60mA
说明：上式是近似经验值，实际受负载波形、滤波电容大小、齐纳钳位策略、线路阻抗等影响。更精确计算需进行瞬态仿真或测量。
5. 半波 vs 全波整流的取舍
- 全波整流优点：脉动频率翻倍，输出纹波更低，电容值可适当减小，平均可用电流约为半波的 2 倍，峰值脉冲更均匀，有利于减小齐纳功耗波动。
- 半波整流优点：器件更少（可省两个二极管或桥堆），BOM 更低。
- 安全性：二者本质安全风险相同（均为非隔离浮地），并不存在“全波更不安全”的物理依据。
- 选择建议：若板上空间允许且需要更稳定输出，优先采用全波整流。
6. 稳压方式
- 齐纳二极管 + 滤波电容
- 成本最低
- 负载变化 → 输出电压偏差较大
- 空载时大部分限流电流被齐纳耗散，需校核齐纳功耗 PZ=(IAC,等效−Iload)×VZPZ=(IAC,等效−Iload)×VZ
- 齐纳 + 串联电阻 + 简单 LDO
- 降低齐纳持续耗散，提高负载电压稳定度
- 增加器件，效率仍然不高
- 开关式后级（极少用于此类极限成本场合）
- 复杂度与成本失去“电容降压”的原初意义
这一类的电路通常用于低成本取得非隔离的小电流电源。它的输出电压通常可在几伏到三几十伏，取决于所使用的齐纳稳压管。所能提供的电流大小正比于限流电容容量。采用半波整流时，每微法电容可得到电流(平均值)为：(国际标准单位)。
7. 关键元件与设计注意事项
| 元件 | 设计要点 |
|---|---|
| 限流电容 Cx | 必须选用安规 X2（275Vac 或更高），容差与老化（容量随时间下降）需计入余量。 |
| 串联电阻（浪涌/熔断） | 一般 22~100Ω，限制插入浪涌、提供一定熔断功能；不要完全依赖其替代正规保险丝于高风险产品。 |
| 放电电阻 | 0.47~2.2MΩ 并联在 Cx 上，保证断电后数秒内电压降至安全值。 |
| 整流 | 小电流桥 MB2S / MB6S 或 4×1N4148 / 1N4007 (视频率和脉冲峰值)，全波更推荐桥堆。 |
| 滤波电解 | 10~470µF/耐压≥Vout×(1.5~2)，容量越大纹波越低但冲击电流更大。 |
| 稳压齐纳 | 额定功耗裕量 ≥ 2× 最大耗散；优选低漏电型号。 |
| 保护 | 若环境浪涌较多，可在输入端并联 MOV（会提升成本）。 |
| 布局 | 高压与低压之间保持合理爬电距离（虽然非隔离，但要防止尘污/凝露导致意外短路）。 |
8. 齐纳功耗快速核算示例
假设全波整流，目标输出 5V/40mA，采用 1.5µF 电容。
IDC,full≈0.89×2π×50×1.5μF×220≈90mAIDC,full≈0.89×2π×50×1.5μF×220≈90mA
负载取 40mA，则齐纳平均承担约 50mA。
齐纳功耗 PZ≈50mA×5.1V≈0.255WPZ≈50mA×5.1V≈0.255W
→ 应选择 0.5W 以上齐纳并考虑散热（工作温升控制 < 70% 额定功耗）。
若只需 40mA，不要按 100mA 裕量选过大的 Cx，否则多余电流都烧在齐纳上，可靠性与寿命变差。
9. 效率与功率因数
- 有功效率：η≈VoutIloadVrmsI输入有功η≈VrmsI输入有功VoutIload，在齐纳吸收大量余电流情况下常低于 30~50%。
- 功率因数：差（电流近似容性，位相超前）。对法规敏感产品不推荐该方案。
10. 安全与应用边界（务必标注）
强制警示（文章中建议加粗 / 红色标记）：
- 输出地与市电线之间没有隔离，整机必须结构性隔离（外壳、绝缘间隙、灌封）以杜绝人体触及。
- 禁止直接给 USB、传感器探头、外露插针等对外接口供电。
- 维护/调试时，示波器接地夹不可直接夹在“低压端”，否则可能与保护接地形成短路或触电风险。需使用隔离变压器或差分探头。
- 限流电容必须为正规认证 X2，严禁使用普通 CBB/薄膜电容替代。
- 齐纳开路或焊接不良时输出电压可能飙升至接近峰值 ≈Vrms2≈Vrms2（减去整流与负载压降），可能击穿后级器件。可加 TVS 二级保护或 OV 监测。
- 不适用于：医疗、可触及接口、通讯接口（如 RS485/以太网）、电池充电、长寿命高可靠场景。
电容限流电源在“极低成本 + 小电流 + 完全封闭不可触及”这一狭窄窗口内具有体积与 BOM 优势：结构简单、启动快、材料少。但其根本缺陷是无安全隔离、效率与功率因数低、齐纳或稳压元件热应力高、对浪涌敏感。设计时关键是：正确选定限流电容并严格限制期望电流，不要一味留过大余量；确保齐纳/稳压件功耗在合理范围；落实防浪涌、放电与高压警示措施。一旦应用超出该窗口（更高电流、对外接口、安全要求），应果断转向隔离式反激或小功率模块电源。