电源设计小贴士21:请注意电容RMS纹波额定电流!

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电源中常常被忽略的一种应力是输入电容RMS电流。若不正确理解它,过电流会使电容过热和过早失效。在降压转换器中,使用下列近似式,根据输出电流(Io)和占空比(D)可以很轻松地计算出RMS电流:

电源设计小贴士21(电子工程专辑)
图1给出了该表达式的曲线图;它是一个圆形,其中,50%占空比时达到最大值0.5,并在0%和100%占空比时有2个零交叉。该曲线在50%占空比附近对称。在20%和80%之间,RMS电流和输出电流之间的比大于80%。使用这一范围的占空比,您可以将RMS电流粗略估计为1/2最大输出电流。在这一范围之外,您需要进行相应的计算。


图1:在1/输出电流处出现降压输入电容RMS电流峰值。 

在过去几年中,陶瓷电容器的容积效率和成本两方面都取得了巨大的进步。陶瓷电容器现在成为绕过电源功率级的首选。但是,它们的低ESR在电源中会产生许多困扰,例如:EMI滤波器振荡和意外电压浪涌(参见《电源设计小贴士20》)。并联电解电容常常用于抑制这些高Q电路。这些情况下,您应该注意电解质中的纹波电流,因为大量的电源纹波电流会最终进入电解电容。图2显示了一个带输入电容的100kHz转换开关例子,其输入电容由一个同电解电容器并联的10μF陶瓷电容组成,而该电解电容器包含0.15Ω的等效串联电阻(ESR)。假设电解电容器的电容比陶瓷电容器的大,在这种情况下,约70%的RMS电流出现在了电解质中。要减少该RMS电流,您可以增加陶瓷电容、工作频率或者等效串联电阻(ESR)。通过电容电流的傅里叶级数可以绘制出这一曲线,从而计算每个谐波(多达10)的电解电容器电流,并重新组合谐波来计算电解电容器的总RMS电流。请注意,陶瓷电容的电流与ESR的电流在相位上相差1/4周期,因此必须将它们看作是矢量。如果您不想在这些计算方面花费时间,那么您可以通过一个电流源和三个无源组件轻松地对该电路进行仿真。


图2:使用不同电容类型时请注意电解电容电流。 

总之,要注意输入电容中的RMS电流,因为过电流应力会降低电容的可靠性。组合电容类型时更需特别注意,因为陶瓷电容通常会允许足够高的纹波电压在并联电解电容中形成过电流状态。这一问题的解决方法是增加如下一项或多项:工作频率、陶瓷电容数量、电解电容ESR或其RMS额定电流。 

我们将讨论DC/DC转换器的反馈环路基础知识,敬请期待。 

注:  

下面是输入电容中RMS电流的推导过程,其假设电感无穷大。它以矩形脉冲(D0.5*Ipk)的RMS电流作为开始,并去除了DC组件(D*Ipk)。 

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