開關電源輸出濾波電容的選擇方法
發布時間:2019-03-29 責任編輯:xueqi
【導讀】很多人都認為開關電源的輸出濾波電容越大越好,其實這種觀點是不全麵的,影響開關電源直流電壓輸出品質的最重要參數其實是電容的ESR值。以下將介紹正確的開關電源輸出濾波電容的選擇方法。

電容的ESR是指電容的等效串聯電阻或阻抗。
理想的電容器是沒有電阻的。但是實際上,任何電容都有電阻,這個電阻值和電容的組成材料、結(jie)構(gou)有(you)關(guan)係(xi)。在(zai)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)技(ji)術(shu)大(da)規(gui)模(mo)應(ying)用(yong)之(zhi)前(qian),普(pu)遍(bian)采(cai)用(yong)線(xian)性(xing)電(dian)源(yuan),電(dian)源(yuan)電(dian)路(lu)都(dou)工(gong)作(zuo)在(zai)低(di)頻(pin)直(zhi)流(liu)狀(zhuang)態(tai),通(tong)過(guo)濾(lv)波(bo)整(zheng)流(liu)電(dian)路(lu)把(ba)交(jiao)流(liu)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)直(zhi)流(liu)。在(zai)低(di)頻(pin)直(zhi)流(liu)電(dian)源(yuan)中(zhong),電(dian)容(rong)的(de)容(rong)量(liang)對(dui)濾(lv)波(bo)效(xiao)果(guo)起(qi)決(jue)定(ding)作(zuo)用(yong),電(dian)容(rong)的(de)串(chuan)聯(lian)阻(zu)抗(kang)作(zuo)用(yong)可(ke)以(yi)忽(hu)略(lve)。但(dan)是(shi)低(di)頻(pin)電(dian)源(yuan)效(xiao)率(lv)低(di),體(ti)積(ji)大(da)的(de)缺(que)點(dian)非(fei)常(chang)明(ming)顯(xian)。
由(you)於(yu)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)的(de)進(jin)步(bu),近(jin)二(er)十(shi)年(nian)來(lai)逐(zhu)漸(jian)發(fa)展(zhan)了(le)脈(mai)寬(kuan)調(tiao)製(zhi)的(de)高(gao)頻(pin)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)技(ji)術(shu),大(da)大(da)地(di)提(ti)高(gao)了(le)電(dian)源(yuan)的(de)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv),也(ye)減(jian)小(xiao)了(le)電(dian)源(yuan)的(de)體(ti)積(ji)。開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)越(yue)高(gao),電(dian)源(yuan)的(de)體(ti)積(ji)就(jiu)越(yue)小(xiao)。開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)從(cong)幾(ji)十(shi)KHz到幾MHz不等。在開關電源中,電容的ESR直接影響到電容的效果,它比電容器的容量還重要,事實上我們所說的電容器的容量一般都是在120Hz下測量的值,當工作頻率提高時,電容容量會急劇降低,甚至根本不能起到電容的作用。一般而言,應該選擇ESR相對較小的電容。 在不同類型的電容中,以電解電容的ESR通常最大,鉭電容次之,陶瓷電容最佳。當然,即使是電解電容中,也分普通電解電容和低ESR的電解電容。用在開關電源輸出濾波的應該采用低ESR的電解電容。在維修中,如果用普通電解電容替換低ESR的(de)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong),開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)可(ke)能(neng)短(duan)時(shi)間(jian)能(neng)工(gong)作(zuo),但(dan)是(shi)壽(shou)命(ming)肯(ken)定(ding)不(bu)長(chang)。弄(nong)不(bu)好(hao),電(dian)容(rong)很(hen)快(kuai)因(yin)為(wei)損(sun)耗(hao)太(tai)大(da)而(er)爆(bao)裂(lie)甚(shen)至(zhi)爆(bao)炸(zha),所(suo)以(yi)更(geng)換(huan)電(dian)容(rong)應(ying)該(gai)小(xiao)心(xin)。同(tong)樣(yang)容(rong)量(liang)同(tong)樣(yang)耐(nai)壓(ya)的(de)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong),體(ti)積(ji)大(da)的(de)往(wang)往(wang)ESR小。同樣容量不同耐壓的電解電容,耐壓高度往往ESR小。同樣耐壓同樣容量的電容,105度比85度的ESR要小。當然,這也不是絕對的,對於同一廠家同一係列的電解電容,基本上成立。

lixiangdededianrongqi,benshenbuhuichanshengrenhenengliangsunshi,zaishijiyingyongzhong,youyushengchandianrongdecailiaoyoudianzulv,dianrongdejueyuanjiezhiyousunhao,zhegesunhaokeyidengxiaoweiyigedianzugendianrongchuanlianzaiyiqi,chengweidianrongdedengxiaochuanliandianzu,yingwenjianchengESR,是Equivalent Series Resistance的縮寫。
一般認為電容兩端的電壓不能突變,當突然對電容施加一個電流,電容因為自身充電,電壓會從零開始上升。但是有了ESR的de附fu加jia影ying響xiang,等deng效xiao串chuan聯lian電dian阻zu自zi身shen會hui產chan生sheng電dian壓ya降jiang,這zhe就jiu導dao致zhi電dian容rong器qi兩liang端duan的de電dian壓ya會hui產chan生sheng突tu變bian。很hen多duo情qing況kuang下xia,這zhe會hui導dao致zhi電dian容rong的de濾lv波bo效xiao果guo變bian差cha,所suo以yi很hen多duo高gao質zhi量liang的de開kai關guan電dian源yuan,對dui輸shu出chu端duan的de濾lv波bo電dian容rong要yao求qiu很hen高gao,要yao求qiu選xuan用yong低diESR的電容器。
在振蕩電路中,ESR也會引起電路功能上失調,造成電路失效甚至損壞等嚴重後果。所以在多數場合,低ESR的電容,往往比高ESR的有更好的表現。
不過也有例外,有些時候ESR也不是一無是處。在穩壓電路中,有一定ESR的(de)電(dian)容(rong),在(zai)負(fu)載(zai)發(fa)生(sheng)瞬(shun)變(bian)的(de)時(shi)候(hou),會(hui)立(li)即(ji)產(chan)生(sheng)波(bo)動(dong)而(er)引(yin)發(fa)反(fan)饋(kui)電(dian)路(lu)動(dong)作(zuo),這(zhe)類(lei)快(kuai)速(su)的(de)響(xiang)應(ying),以(yi)犧(xi)牲(sheng)一(yi)定(ding)的(de)瞬(shun)態(tai)性(xing)能(neng)為(wei)代(dai)價(jia),獲(huo)取(qu)了(le)後(hou)續(xu)的(de)快(kuai)速(su)調(tiao)整(zheng)能(neng)力(li),尤(you)其(qi)是(shi)功(gong)率(lv)管(guan)的(de)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)比(bi)較(jiao)慢(man),並(bing)且(qie)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)體(ti)積(ji)和(he)容(rong)量(liang)受(shou)到(dao)嚴(yan)格(ge)限(xian)製(zhi)的(de)時(shi)候(hou)。這(zhe)種(zhong)情(qing)形(xing)可(ke)見(jian)於(yu)一(yi)些(xie)使(shi)用(yong)mos功率管做調整管的三端穩壓或者類似的電路中。這種應用場合,太低的ESR反而會降低整體性能。
實際上,需要更低ESR的場合更多,而低ESR的大容量電容價格相對昂貴,所以很多開關電源多采取並聯的方法,用多個ESR相對高的鋁電解或固態電容並聯,組合成一個低ESR的大容量電容。犧牲一定的PCB電路板空間,換來器件成本的減少。

和ESR類似的另外一個概念是ESL,也就是等效串聯電感。早期的卷製電容經常有很高的ESL,而且容量越大的電容,ESL一般也越大。ESL經常會成為ESR的一部分,並且ESL也會引發一些電路故障,比如串聯諧振等。但是相對容量來說,ESL的比例太小,出現問題的幾率很小,再加上電容製作工藝的進步,現在已經逐漸忽略ESL,而把ESR作為除容量之外的主要參考因素了。
電容器還存在一個和電感類似的品質係數Q,這個係數反比於ESR,並且和頻率相關,也比較少使用。
由ESR引發的電路故障通常很難檢測,而且ESR的(de)影(ying)響(xiang)也(ye)很(hen)容(rong)易(yi)在(zai)設(she)計(ji)過(guo)程(cheng)中(zhong)被(bei)忽(hu)視(shi)。簡(jian)單(dan)的(de)做(zuo)法(fa)是(shi),在(zai)仿(fang)真(zhen)的(de)時(shi)候(hou),如(ru)果(guo)無(wu)法(fa)選(xuan)擇(ze)電(dian)容(rong)的(de)具(ju)體(ti)參(can)數(shu),可(ke)以(yi)嚐(chang)試(shi)在(zai)電(dian)容(rong)上(shang)人(ren)為(wei)串(chuan)聯(lian)一(yi)個(ge)小(xiao)電(dian)阻(zu)來(lai)模(mo)擬(ni)ESR的影響,通常的,鉭電容的ESR通常都在100毫歐以下,而鋁電解電容則高於這個數值,有些種類電容的ESR甚至會高達數歐姆。
ESR值與紋波電壓的關係可以用歐姆定律V=R(ESR)×I來表示。公式中的V就表示紋波電壓,而R表示電容的ESR,I表示電流。可以看到,當電流增大的時候,即使在ESR保持不變的情況下,紋波電壓也會成倍提高。
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