网上的阻容降压原理图很多，但是这个是少数原件比较全的，其他的图主要就是少了几个电阻。这个图中的各元件其实都是必要的：如果少了R2，断电后C1没有放电路径，如果用在球泡灯，关灯后马上拆灯泡可能会被电击；如果少了R3，关灯后LED熄灭较慢；如果少了R1，开灯时向C2充电的电流会很大；如果少了R4，LED频闪会厉害一些，开灯时对LED的冲击会变大 。

 

本帖的主要内容，就是分析开灯的瞬间对LED的冲击是如何形成的，并推荐一些设计原则。

 

开灯瞬间的简化电路

 

对机械开关来说，从断到通的动作时间是us级；对大部分LED阻容驱动电路参数来说，开灯之后的过渡过程在百us级的时间内就会结束。在这么短的时间内，50Hz的工频电压变化是十分有限的。所以，在开灯瞬间，完全可以把交流供电改用直流电压源来替代，可以简化问题并能得到合理的结果。同时，在这么短的时间内，上图中与两个电容直接并联的电阻R2、R3的影响也很小，可以忽略。

 

当电源由交流变成直流后，整流桥的四个二极管就只有两个在生效了。LED在一定范围内的正向电流作用下，其正向压降也是基本固定的，作为一个负载，可以用电压源反向串联二极管来代替，二极管的单向导电作用并不会发生从LED侧向电源侧供电的情况。于是，再将前面提到的电阻省掉，由上面完整的原理图得到了下面的暂态等效图：

 

 

 

 

开灯瞬间的等效电路

 

虽然上面的图已经比原图简化了很多，但是还不够。我们需要进一步分析开灯瞬间的工作状态，画出开灯瞬间的等效电路，再借助经典电路理论来分析。

 

这里再明确一下我们的目的，是分析开灯瞬间LED受到的冲击。那么从上面的简图中，应该不难看出，当开灯时刻正好对应AC电源的峰值时，电路受到的冲击最大。

 

当V1电压等于AC峰值约310V时，考虑R1的阻值一般只有几Ohm到几十Ohm，开灯瞬间流过R1和两个二极管的电流将达到几A到几十A。这些电流大部分流入C2，那么电解电容C2的瞬时电流是非常大的，这时它的等效串联电阻上也会产生明显的压降，并且这个电压将直接体现到LED（V2和D3）两端，因而不能忽略。反而两个整流二极管D1、D2的压降相比于输入电压310来说较小，对LED两端电压影响反而不大。

 

经过上面的分析，可以得到电路的等效图如下：

 

 

 

 

上图的R2代表电容的ESR。这时，电路就已经变成比较简单的一阶电路了，分析起来比原图要简单得多。但是还不够，如果电路原理学的比较清楚，上面的图可以由下面的图等效：

 

 

 

虽然又去掉了V1和V2，但是可以通过设置C1、C2在暂态初始的电压来等效。这时，电路已经足够简单了。

 

最差初始状态

 

前面已经提到了，在接通开关瞬间如果正好是AC峰值，那么是冲击电流最大、最恶劣的情况。但是电路中还有两个电容，电容电压也是开灯瞬间的初始状态之一。那么两个电容的电压是多少时，是合理的、确实可能出现的最差情况呢？

 

先看正常工作时，两个电容可能的电压范围。对C1来说，近似值是（输入电压峰值 - LED总压降），电压可正可负；对C2来说，是（LED总压降），且这个电压总是正值。

 

在开灯瞬间，C1电压是与输入电压正向或反向叠加的。显然，当C1电压与输入电压正向叠加时，电路的状态更恶劣。如果这时候C2电压又比较高，相当一部分冲击电流会流过LED。那么这种情况可能发生吗？确实是可能的。最常见的场景就是开关在动作时有跳动、接触不良，恰好在AC的正向峰值电压时断开，又在反向峰值电压时闭合。

 

这时，相当于电路瞬间输入电压达到（2×输入电压峰值 - LED压降），这个电压可能接近600V。事实上，如果电路元件能够承受这种瞬间工作状态，那么这个阻容降压电路对电网本身的各种浪涌的耐受能力已经足够强了。本帖重点分析这个状态。

 

相关计算

 

上面最终得到的等效电路是一阶电路，可以用经典解法列微分方程计算，也可以借助仿真工具直接得到结果。但是大概这两种方法对某些爱好者来说门槛还是有点高。所以，我用excel做了个简易工具（文档链接在这里：），借助最常见的办公软件，给出上面电路的近似解。

 

看图：

 

 

 

只要在蓝色格子中填入电路参数，文档即可给出上述最恶劣条件（开关在AC正向峰值电压时刻断开又马上在负向电压峰值时刻闭合）时的各关键元件在开关闭合后200us时间内的电压或电流数据，可以非常方便的通过不断调整参数来得到合理的参数，把这个条件下LED的冲击电流限制在合理的水平。

 

我这个excel文档的计算结果是否准确呢？我也用仿真结果对比了一下，发现精度还是很高的（看下面对比图）。如果不满足于现有精度，将TimeStep参数继续调小，精度会进一步提高。

 

 

 

 

那多大的冲击电流是合理的水平呢？这个数据要来自LED灯珠的datasheet。这里就不举例说明了，但是我去翻了Rohm、Cree等厂家的几种LED灯珠，总结下来的数据是厂家给出的极限冲击电流大概在额定电流的5倍左右。这个值应该来自LED的极限结温。温度相关内容可以去翻系列之一 如何计算半导体元件的温度，那个帖没有提到的一点是当功率的持续时间较短时，半导体元件的热阻会显著下降（受管芯热容量的影响）。考虑到上面的冲击电流时间很短，这个5倍可以适当放宽，一定范围内应该不至于影响LED寿命。

 

如果你已经玩过了我给出的附件excel文档，可以发现提高LED的压降、加大电解电容C2的容量并控制其ESR对降低峰值电流很有用。所以阻容降压电路更适用于小电流、串联数量较多的LED灯珠使用。当LED串联数量增多时，网上的很多计算C1电容容量与LED电流之间关系的公式就会有较大误差。这里再推荐一个计算方法：LED电流 = （AC峰值电压 - LED正向压降）× C1容量 × 4 × 工频频率。

 

本帖到这里基本就结束了，不出意外的话这个系列帖也会到此为止。毕竟写这么多内容花了我不少时间，不过关注的人实在不多。

但愿大家读完这一系列帖子能有所收获吧……