電容RMS紋波額定電流簡(jiǎn)介

電源中常常被忽略的一種應(yīng)力是輸入電容RMS電流。若不正確理解它，過電流會(huì)使電容過熱和過早失效。在降壓轉(zhuǎn)換器中，使用下列近似式，根據(jù)輸出電流 (Io) 和占空比 (D) 可以很輕松地計(jì)算出RMS電流：

　　圖1給出了該表達(dá)式的曲線圖;它是一個(gè)圓形，其中，50%占空比時(shí)達(dá)到最大值0.5，并在0%和100%占空比時(shí)有2個(gè)零交叉。該曲線在50%占空比附近對(duì)稱。在20%和80%之間，RMS電流和輸出電流之間的比大于80%。使用這一范圍的占空比，您可以將RMS電流粗略估計(jì)為1/2最大輸出電流。在這一范圍之外，您需要進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。

　　圖1.在1/輸出電流處出現(xiàn)降壓輸入電容RMS電流峰值

　　在過去幾年中，陶瓷電容器的容積效率和成本兩方面都取得了巨大的進(jìn)步。陶瓷電容器現(xiàn)在成為繞過電源功率級(jí)的首選。但是，它們的低ESR在電源中會(huì)產(chǎn)生許多困擾，例如：EMI濾波器振蕩和意外電壓浪涌(參見《電源設(shè)計(jì)小貼士20》)。并聯(lián)電解電容常常用于抑制這些高Q電路。這些情況下，您應(yīng)該注意電解質(zhì)中的紋波電流，因?yàn)榇罅康碾娫醇y波電流會(huì)最終進(jìn)入電解電容。圖2顯示了一個(gè)帶輸入電容的100 kHz轉(zhuǎn)換開關(guān)例子，其輸入電容由一個(gè)同電解電容器并聯(lián)的10 uF陶瓷電容組成，而該電解電容器包含0.15歐姆的等效串聯(lián)電阻 (ESR)。假設(shè)電解電容器的電容比陶瓷電容器的大，在這種情況下，約70%的RMS電流出現(xiàn)在了電解質(zhì)中。要減少該RMS電流，您可以增加陶瓷電容、工作頻率或者 等效串聯(lián)電阻(ESR)。通過電容電流的傅里葉級(jí)數(shù)可以繪制出這一曲線，從而計(jì)算每個(gè)諧波(多達(dá)10)的電解電容器電流，并重新組合諧波來計(jì)算電解電容器的總RMS電流。請(qǐng)注意，陶瓷電容的電流與ESR的電流在相位上相差1/4周期，因此必須將它們看作是矢量。如果您不想在這些計(jì)算方面花費(fèi)時(shí)間，那么您可以通過一個(gè)電流源和三個(gè)無(wú)源組件輕松地對(duì)該電路進(jìn)行仿真。

　　圖2.使用不同電容類型時(shí)請(qǐng)注意電解電容電流

　　總之，要注意輸入電容中的RMS電流，因?yàn)檫^電流應(yīng)力會(huì)降低電容的可靠性。組合電容類型時(shí)更需特別注意，因?yàn)樘沾呻娙萃ǔ?huì)允許足夠高的紋波電壓在并聯(lián)電解電容中形成過電流狀態(tài)。這一問題的解決方法是增加如下一項(xiàng)或多項(xiàng)：工作頻率、陶瓷電容數(shù)量、電解電容ESR或其RMS額定電流。

　　下個(gè)月，我們將討論DC/DC轉(zhuǎn)換器的反饋環(huán)路基礎(chǔ)知識(shí)，敬請(qǐng)期待。

　　注：

　　下面是輸入電容中RMS電流的推導(dǎo)過程，其假設(shè)電感無(wú)窮大。它以矩形脈沖(D0.5*Ipk)的RMS電流作為開始，并去除了DC組件(D*Ipk)。