電容 RMS 紋波額定電流！

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 1/2 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。

附件

下面是輸入電容中 RMS 電流的推導(dǎo)過程，其假設(shè)電感無窮大。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）。