資料介紹
對濾波效果而言,電容的ESL和ESR參數都很重要,電感會阻止電流的突變,電阻則限制了電流的變化率,這些影響對電容的充放電顯然都不利。優質的電容在設計及制造時都采取了必要的手段來降低ESL和ESR,故而橫向比較起來,同樣的容量濾波效果卻不同。
紋波電壓主要由幾個部分引起
1、電容的ESR引起的
2、電容的ESL引起的
3、電容的充放電引起的
4、噪聲引起的
以Buck開關電源為例來計算一下:
電容的ESR引起的紋波計算公式
電容的ESL引起的紋波計算公式
電容的充放電引起的紋波計算公式
對于此條計算可能有部分人不太理解,下面我們一起來分析一下:
當△ic流過理想電容C時,在C兩端產生的電壓變化如下
由上面圖(f)中最下一個電流波形可知 Buck 電路在達到平衡工作狀態時, 在 Io 的上方為電容充電電流, 而 Io 下方為電容放電電流, 由圖形中即可知紋波積分的上限應該選擇.toff/2、下限取ton/2.
計算積分得到
由于
則
漏電流小,ESR小,一般都是認為要選擇低ESR的系列,不過也與負載有關,負載越大,ESR不變時,紋波電流變大,紋波電壓也變大。我們從公式上來看看,dV*C=di*dt;dv就是紋波,di是電感上電流的值,dt是持續的時間。一般的開關電源書籍都會講到怎么算紋波,大題分解為:濾波電容對電壓的積分 濾波電容的ESR 濾波電容的ESL noise,如下圖:
一般對紋波的計算通常是估算 有關開關電源紋波的計算,原則上比較復雜,要將輸入的矩形波進行傅立葉展開成各次諧波的級數,計算每個諧波的衰減,再求和。最后的結果不僅與濾波電感、濾波電容有關,而且與負載電阻有關。當然,計算時是將濾波電感和濾波電容看成理想元件,若考慮電感的直流電阻以及電容的ESR,那就更復雜了。所以,通常都是估算,再留出一定余量,以滿足設計要求。對樣機需要實際測試,若不能滿足設計要求,則需要更改濾波元件參數。
以Buck電路為例,電感中電流連續和斷續,開關電源的傳遞函數完全不同。電流連續時環路穩定,電流斷續時未必穩定。而電感中電流是否連續,除與電感量等有關外,還與負載有關。更嚴重的是,電流是否連續還與占空比有關,而占空比是由反饋電路控制的。不僅Buck,其它如Boost以及由基本拓撲衍生出來的正激、反激等也是一樣。
若要求所有可能產生的工作狀態下都穩定,通常要加假負載以保證Buck電路電感電流總是連續(對Buck/Boost或反激則保證不會在連續斷續之間轉變),或者把反饋環路時間常數設計得非常大(這會在很大程度上降低開關電源的響應速度)。對輸出電壓可調整的開關電源(例如實驗室用的0~30V輸出電源),環路穩定的難度更大。對這類電源,往往要在開關電源之后再加一級線性調整。
電解電容的選擇很重要
在輸出端采用高頻性能好、ESR低的電容,高頻下ESR阻抗低,允許紋波電流大。可以在高頻下使用,如采用普通的鋁電解電容作輸出電容,無法在高頻(100kHz以上的頻率)下工作,即使電容量也無效,因為超過10kHz時,它已成電感特性了。?
(mbbeetchina)
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