输出滤波电容器的计算与选择 admin    18/09/08



    滤波电容在开关电源中起着非常重要的作用,如何正确选择输出滤波电容,是设计 或制作开关电源时需要解决的关键问题之一。

一.输出滤波电容器的容量计算

1.电容器的高频特性

    理想电容器可视为纯电容器,其阻抗随频率升高而降低。理想电容器的电路及阻抗 特性分别如图3-8-1(a)、(b)所示。其阻抗特性呈双曲线(仅在第一象限)。阻抗表 达式为

Z = 1/(2πfC)     (3-8-1)

图3-8-1  无线转红外遥控

    实际电容器中不仅包含一个纯电容器C和漏电阻R,还有两个重要参数:一个是等 效串联电阻(Equivalent Series Resistance),英文缩写为ESR,它表示与理想电容器相 串联的等效电阻值RESR,该电阻值反映了滤波电容器的特性;另一个为等效串联电 感(Equivalent Series lnductanc),英文缩写为ESL,它表示与理想电容器相串联的 等效电感值LESL(即分布电感)。由于漏电阻R的阻值很高,对C的并联作用可 忽略不计,因此实际电容器的总阻抗为

Z = (RESR2 + X2)0.5     (3-8-2)

    式中:X为电抗,X=XL—XC=2πfLESL - 1/(2πfC)

    实际电容器的等效电路、阻抗特性及铝电解电容器的RESR与温度的关系曲线分别如 图3-8-2(a)、(b)和(c)所示。实际电容器的阻抗特性呈凹形,具有以下特点:

图3-8-2  实际电容器的等效电路、阻抗特性及铝电解电容器的RESR与温度的关系曲线

    (1)在低频阶段,f < fr,对应于图3-8-2(b)中的a段,电容器呈容性,X≈XC =1/(2πfC),阻抗随频率的升高时而降低。

    (2)当频率升到等效串联电感的自谐振频率时,即f = fr,对应于图3-8-2中的b点,阻抗达到最小值Z = RESR

    (3)当f > fr时,对应于图3-8-2(b)中的c段,电容器呈感性, X≈XL=2πfLESL,此时阻抗随着感抗的迅速增加而增大。

    (4)电容器的自谐振频率越高,越适合在高频领域工作。

2.输出滤波电容器的容量计算

    开关频率f一般为几十至几百千赫兹,输出滤波电容器CO应采用高频电解电容 器,其自谐振频率可超过10MHz。由于f < fr,因此CO工作在图3-8-2(b)中的a 段,电容器呈容性。利用输出滤波电容器可降低开关电源的输出纹波电压ΔUO。隔离 式开关电源的ΔUO约为输出电压的1%~2%,即ΔUO=(1%一2%)UO,一般为几十 毫伏至几百毫伏。开关稳压器的输出纹波电压较小,约为输出电压的0.2%~0.5%, 一般情况下ΔUO只有十毫伏至几十毫伏。输出滤波电容器上的纹波电流估算公式为 ΔIO=(0.2~0.4)IO,具体比例系数视输出滤波器的结构而定,例如使用一阶滤波器 时可取ΔIO=0.4IO。使用二阶滤波器时可取ΔIO=0.2IO

    降压式DC/DC变换器的输出电路及工作波形分别如图3-8-3(a)~(d)所 示。UI为输入直流高压,UPWM为功率开关管VT产生的脉宽调制信号,L为滤波电 感,VD为续流二极管,CO为输出滤波电容器。UO为输出电压,IO为输出电流。 ΔUO、ΔIO分别表示输出纹波电压和输出滤波电容器上的纹波电流,ΔIL为负载上 的纹波电流,T为开关周期(开关频率为f)。当VT导通时除向负载供电,还有一 部分电能储存于L、C中,L上的电压为UL,其极性是左端为正、右端为负,此时 VD截止。当VT关断时L上产生极性为左端负、右端正的反向电动势,使VD导 通,L中的电能传送给负载,维持输出电压不变,并且UO < UI

图3-8-3  反激式开关电源的简化输出电路及工作波形

    由图3-8-3(d)可见,在VD导通期间,当t=t1时ΔIO通过零点,然后ΔIO不 断增大,并在VD关断时达到峰值。在VD关断期间,ΔIO不断减小,在t=t2时ΔIO 降至零点。输出纹波电压由下式确定

    由于在从t1到t2期间纹波电流的平均 值为(ΔIO/2)/2=ΔIO/4,并考虑到T=1/f,因此对式(3-8-3)积分后可得到

ΔUO = ΔIOT/(4CO x 2) = ΔIO/(8fCO)       (3-8-4)
从式(3-8-4)解出
CO = ΔIO/(8fΔUO)       (3-8-5)

     需要注意两点:第一,为改善滤波效果,实际容量应大于按照式(3-8-5)计算出 的数值;第二,上述公式是将CO视为理想电容器,末考虑其等效串联电阻值RESR。因 RESR是串联在C,上的,故式(3-8-4)应改为

ΔUO = ΔIO(RESR + 1/(8fCO))       (3-8-6)

    这就是降压式DC/DC变换器输出纹波电压的完整表达式。

    举例说明,已知UO=5V,IO=1A,f=100kHz,取ΔIO=0.4ΔIO=0.4A,并假定 RESR=0.2Ω。当CO=100uF时,按照式(3-8-4)计算ΔUO时未考虑及RESR,所得到的 ΔUO=0.4A×0.01250=5mV,该数值明显偏小。因为在同样情况下若根据式(3-8-6)计算, ΔUO=0.4A×(0.20+0.01250)=89mV。显然,89mV才是合理数值。上 例中,若采用RESR=0.1Ω的高性能电解电容器,则ΔUO即可减小到45mV。从中不难 发现,由RESR所引起的输出纹波电压远大于式(3-8-6)中的第二项,这表明,RESR是 造成输出纹波电压的关键因素,当RESR较大时,式(3-8-6)中的第二项甚至可忽略不 计,此时公式简化成

ΔUO &asymp ΔIOxRESR      (3-8-7)

    利用式(3-8-7)可估算所需及RESR值,以此作为选择CO时的参考值。反之,如果 将AUO当做预期值(已知量),即可利用式(3-8-6)计算出CO的最小值

CO(min) = 1/8f/(ΔUO/ΔIO - RESR)      (3-8-8)

    此时已不能忽略式(3-8-6)中的第二项,并且实际容量应大于式(3-8-8)的计 算结果。

    负载上的纹波电流、输出纹波电压与等效负载有关,其计算公式为ΔIL=ΔUO/RL。 通常ΔIL远小于ΔIO

二.选用输出滤波电容器的注意事项

    (1)电解电容器的极性不得接反。滤波电容的接地端应尽可能靠近二次侧返回端(地)。

    (2)电解电容器应降额使用,一般情况下耐压值应为实际工作电压的1.2~1.5倍。

    (3)尽管从理论上讲滤波电容器的容量越大越好,但实际上容量太大并不会显著改 善滤波效果。这是因为漏电阻随容量而增大,等效串联电阻和等效串联电感也相应 增加。

    (4)选择容量较小的输出电容器会使输出纹波电压增大,但这可通过采用RESR非常 小的电容器进行补偿,最终仍可达到减小输出纹波电压之目的。

    (5)输出滤波电容器分径向引线(RADIAL,两条引线在电容器的一端引出)、轴 向引线(AXIAL,两条引线分别从电容器的两端引出)两种形式。图3-8-4示出分别 采用轴向引线、径向引线的3种耐压400V的铝电解电容器阻抗特性。图中括号内的数 字代表电容器的尺寸(直径×长度,单位为mm)。由图可见,径向引线电容器在低于 10MHz的频段其阻抗都很低,而轴向引线电容当频率高于1MHz时开始呈现感性阻抗, 总阻抗随频率升高而增大。因此,推荐采用径向引线的电容器并在安装时应尽量减小引 线长度,而不要使用轴向引线电容器,因后者的引线较长(至少等于电容的直径),使 等效串联电感LESL增加,进而使总阻抗增大。需要注意,当频率超过1MHz时,较大容 量的轴向引线电容与较小容量的径向引线电容相比,实际阻抗更高,会造成较大的传导 干扰电流。

图3-8-4  3种耐压400V的铝电解电容器阻抗特性

    (6)电解电容器的使用寿命还与纹波电流、环境温度等因素有关。纹波电流越大, 环境温度越高,使用寿命就越短。通常环境温度降低l0℃,使用寿命大约可延长一倍。 用于高温环境下的开关电源,可采用日本红宝石(Rubycon)公司生产的l05℃电解电 容器。

    (7)为进一步降低等效串联电阻,还可将几只相同容量的低EsR的电解电容器并 联使用,代替一只大容量的电解电容器。这样做的另一好处是能降低等效串联电感LESL

    (8)为减小输出噪声,还可在电解电容器上再并联一只0.01~0.1uF的小电容。

    (9)为改善滤波效果,可采用二阶LC型滤波器,通常滤波电感可以选择30~100uH。

    (10)由于RESR的存在,电容器在充、放电过程中会产生功率损耗I2RESR(I为电流 有效值),引起电容器发热,并降低电源效率。RESR值与频率、温度和额定电压有关。 假定开关电源的开关频率为100kHz,要求输出纹波电流为lA(峰-峰值),纹波电压 为50mV(峰-峰值)。其电荷变化量为ΔQ=lA×(1/100kHz)=10(uC)。若不考虑 RESR,则所需电容量C=ΔQ/U=10uC/50mV=200uF。将两只100uF的电解电容器并联 使用,假定每只电容器在室温下的RESR典型值为100mΩ。为使纹波电压降至50mv,所 需要的RESR=50mv/lA=50mΩ。显然,将两只l00uF电解电容器并联使用即可满足 要求。

    (11)应选择自谐振频率高、温度特性好的滤波电容器,以满足高频大电流滤波的 需要。

三.实现无电解电容器的方法

    铝电解电容器的使用寿命仅为几千小时,严重制约了开关电源的工作寿命。解决方 法主要有以下两种:

1.用固态电容器代替铝电解电容器

    铝电解电容器是以电解液为电介质,受其性能所限制很难满足长寿命开关电源的要 求。固态电容器(Solid Capacitors,全称为固态铝质电解电容)是用高导电性的高分子 聚合物取代电解液做电介质的,具有工作稳定、耐高温、寿命长、高频特性好、等效串 联电阻(ESR)低、使用安全、节能环保等优良特性,性能远优于铝电解电容器,特别 适用于工作条件比较恶劣的开关电源(例如LED路灯驱动电源)。

    固态电容器主要包括铝壳、导电性高分子聚合物、电极层、橡胶层、正极和负极引 脚。以日本三洋(SANYO)公司生产的OSCON固态电容器为例,当温度变化时固态 电容器与铝电解电容器的容量变化率比较如图3-8-5所示,当温度从-55℃变化到 +105℃时,固态电容器的容量变化率小于±4%,而铝电解电容器的容量变化率可达 -37%~+10%。二者的等效串联电阻(RESR)—温度关系曲线如图3-8-6所示,固态 电容器不论在高温、低温工作条件下,等效串联电阻都非常低(小于0.1Ω);铝电解电 容器的等效串联电阻变化范围为0.8~80Ω。

图3-8-5   当温度变化时固态电容器与铝电解电容器的容量变化率曲线比较

图3-8-6   固态电容器与铝电解电容器 的等效串联电阻—温度关系曲线比较

     固态电容器与铝电解电容器的寿命比较见表3-8-1。需要指出,固态电容器不会 发生漏液、爆炸、受热膨胀等故障;其等效串联电阻很低,能有效滤除纹波噪声,这有 利于提高开关电源的性能指标。

表3-8-1  固态电容器与铝电解电容器的寿命比较

环境温度(℃) 固态电容器寿命(h) 铝电解电容器寿命(h) 二者寿命之比
7560000160003.75:1
852000080002.5:1
95600040001.5:1

2.用陶瓷电容器代替电解电容器

    某些新型开关电源芯片,无须使用电解电容器。例如,日本Takion公司新推出的 TK5401型LED驱动器IC,输出滤波电容器可采用小容量(1uF)、可使用长寿命的陶瓷电容 器,不需要电解电容器,可将LED驱动电源的使用寿命提高到几万小时。



0 评论 | 直到2021-09-21 16:03添加评论