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为电源应用选择输出电容器

2022年12月6日,作者:Bruce Rose - 10 分钟阅读

为电源应用选择输出电容器

介绍

我们在查看几乎任何电源应用电路时,会发现电源输出端的负载处都会有电容器。人们常常向电源供应商询问的一个问题是“为什么电源需要使用输出电容器,以及怎样选择电容器?”。在这次讨论中,我们将解答这个问题的两个部分。

简单的电力输送视图

简单的电力输送系统视图中包括电源、负载,以及将电源输出端连接到负载的一些导体。在大多数应用中,所谓的“电源”是电压源,它为负载提供恒定的电压,最高可达到其最大额定功率水平。现在我们已经讨论了电压源和电源之间的区别,在本次讨论中,我们使用的这两个术语可以互换,但要知道我们讨论的是电压源。

在进行更仔细的检查后可以知道,电源尝试向负载提供恒定电压,但是在负载电流发生变化时,向负载提供的电压也随之发生变化。向负载提供的电压所发生的变化来自电源直接输出电压的变化,以及在连接电源和负载所用导体上的电压降。

图1:简化的电力输送电路
图1:简化的电力输送电路

电压偏差的来源

在许多设计中,因负载电流的变化而引起电源输出电压发生主要变化,这是由电源的带宽以及电源与负载之间导体的寄生阻抗而导致的。我们先简要讨论这些特性,然后再探讨如何使用旁路电容器补偿这些特性。

电源带宽

电源的构造原理是,将电源的实际输出电压与电源内部的参考电压进行比较,然后调整所控制的输出电压以最大限度缩小实际电压与期望电压之间的差异。

图2:电源控制回路框图
图2:电源控制回路框图

由于电源拓扑是反馈回路,因此存在与电源响应关联的带宽,该带宽取决于系统的参数。大多数电源都是开关电源,因此带宽限制在开关频率的十分之一到四分之一左右。假设在大多数开关电源中,开关频率介于约 30 kHz 和 300 kHz 之间,则带宽将介于 3 kHz(30 kHz/10)和 75 kHz(300 kHz/4)之间。在这项讨论中,我们假设电源的带宽是 10 kHz。

单极系统 10% ~ 90% 的上升时间可以近似为 Tr = 0.35/BW(Tr 是系统的 10~90% 上升时间,单位为秒,BW 是系统的带宽,单位为赫兹),因此若系统的带宽为 10 kHz,则上升时间是 35 µs (Tr = 0.35/104 = 35 µs)。可以将电源的上升时间视为电源对阶跃负载电流作出反应所需时间长度的近似值。若阶跃负载电流增大,则在电源做出反应以满足新的负载电流需求时,负载处的电压将下降。若阶跃负载电流减小,则在电源做出反应以满足新的负载电流需求时,负载处的电压将上升。

放置在负载处的电容器可以充当电荷储存器,以便对瞬态负载电流与电压源所供应电流之间的差异进行缓冲。回到开始的电子器件,我们记得等式 1,它显示了电流、电容和电压之间随时间变化的关系。也可以重新排列这项等式,以便在电容已知时求解电流变化引起的电压偏差,或者求解对电流变化引起的电压偏差进行限制所需的电容。

等式 1
等式 1

例如,假设带宽为 10 kHz,若输出电压必须保持在标称输出的 120 mV 范围内,并且输出电流的变化为 2 A,则负载所需的最小电容将为 583 µF。

公式2
公式2

电力导体寄生阻抗

存在与电源和负载之间的导体关联的寄生电阻和电感,如图 3 所示。寄生电阻和电感将导致向负载提供的电压随负载电流而变化。负载电压 (Vload) 等于电源电压 (Vsupply) 减去寄生电阻 (Rp) 与负载电流 (I) 的乘积,再减去寄生电感 (Lp) 与负载电流随时间变化率 (dI/dt) 的乘积,如等式 3 所示。

公式3
公式3
图3:包括导体寄生电阻和电感的电力输送电路
图3:包括导体寄生电阻和电感的电力输送电路

坏消息是,难以计算负载瞬态产生的电压偏移以及电力输送导体的寄生阻抗,因为它们取决于负载电流的变化和负载电流的变化率。好消息是,指定寄生电阻和电感低的电力输送导体相对容易。使用大面积的导体(例如大直径导线或宽 PCB 走线)可实现低寄生电阻。在两个电力导体之间形成小回路区域可实现低寄生电感。如图 4 所示,最大限度缩小导体间回路区域的常用方法包括使用紧密捆束的缆线、使两个导体相互缠绕、使 PCB 走线彼此接近,以及在接地平面上方敷设电源走线。

图4:最大限度降低导体电感的常用方法
图4:最大限度降低导体电感的常用方法

电容器选择

以上部分讨论了如何确定负载处要放置多大的电容,以便将电压偏移降低到特定水平,不过,也要关注负载处应该放置哪种类型的电容器。选择电容器的首要标准之一可能应该是需要多大的电容。若所需电容大于几微法或几十微法,钽电容器或电解电容器可能是首选的电容器技术。采用这些技术制造的电容器相当小巧且价格合理。若所需电容小于几十微法,则陶瓷电容器通常是首选,因为它们在尺寸方面更小巧、更实惠。应注意,若施加接近电容器额定电压的直流电压,许多陶瓷电容器的电容值会大幅降低。上网搜索此主题,可获取有关此问题的更多信息。

电容器中的寄生元件

除了尺寸和成本问题外,电容器中寄生电感和电阻的值可能会影响对电容器技术进行的选择。电容器的内部导体具有对电容器性能有影响的关联电阻和电感。

图5:电容器阻抗与频率关系图(左)以及包括 ESR 和 ESL 在内的原理图模型(右)
图5:电容器阻抗与频率关系图(左)以及包括 ESR 和 ESL 在内的原理图模型(右)

简单的电容器模型阻抗示意图显示出由较低频率下的电容器值主导、由较高频率下的 ESL 主导以及由接近 C 和 ESL 值共振频率的 ESR 值主导的行为(图 5)。通过检查阻抗示意图,明显可以看出虽然之前已经讨论了所需的电容值,但在较高频率下,ESL 和 ESR 将确定电容的有效性。

将电容器并联放置

电解电容器因构造性质而往往具有较高的 ESL 和 ESR 值,钽电容器具有较低的 ESL 和 ESR 值,陶瓷电容器的 ESL 和 ESR 值最低。并联放置电容器将增大 C 值并降低 ESL 和 ESR。将采用不同构造技术的电容器并联放置时,可以降低阻抗,也可以扩大阻抗在频率中的影响。

图6:相似并联电容器(左)和不同并联电容器(右)的阻抗与频率关系
图6:相似并联电容器(左)和不同并联电容器(右)的阻抗与频率关系

将值较小的陶瓷电容器与值较大的电解电容器并联放置会很有效,因为电解电容器会解决较高能量和较低频率的问题,而陶瓷电容器会解决较高频率的瞬态问题。陶瓷电容器的值可以比电解电容器的值小得多,因为在较高频率下的瞬态能量将比在较低频率下的能量小得多。

总览

根据我们的讨论,现在您应该已经知道,电容器通常在负载处跨电源端子放置,以减少由瞬态负载电流和电源的有限带宽响应而引起的电压偏移。所用电容器的值和类型将取决于电源的带宽、负载瞬态的大小、负载瞬态的频率分量,以及可接受的因负载瞬态而导致的电压偏移水平。联系 CUI 等电源供应商的技术支持团队可以获得有关这些问题的其他详细信息与支持。

类别: 基础知识产品选择测试和故障分析

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Bruce Rose

Bruce Rose

首席应用设计师

Bruce Rose在电子产品行业从事多年设计、销售和营销工作,主要致力于模拟电路和功率输送领域。他的工作经验涉及组织和主持国际研讨会、在超过40个技术大会和期刊中出版文章和发表演讲,并且获得了七项专利。Bruce不仅享受工作,更加享受与家人共度远足、骑行和玩皮划艇的美妙时光,同时还热衷于各种规模和型号的航空器。

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