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DCDC基礎:輸入輸出電容的選擇及計算

eeDesigner ? 2023-04-06 14:52 ? 次閱讀

目前市面上的電容種類繁多,在為我們的電源電路選擇輸入輸出電容的時候難免會挑花了眼。本文就來淺析一下如何選擇輸入輸出電容及其相關的計算。如有問題,歡迎指正。

1. 電源電路常見電容分類

以下羅列了幾種電源電路中常見的電容種類及其特點,以供參考。

2. 輸入電容的選擇和計算

輸入和輸出電容是電源電路中非常重要的兩個部分。

以BUCK 電路為例 ,由于上管以一定頻率的開斷,故可以認為BUCK電路的輸入電流是不連續的,因此需要輸入電容向降壓變換器提供交流電流,同時保持直流電壓。

a. 電流參數計算

Buck電路中輸入電容紋波電流的有效值計算公式推導過程如下:

image

根據上圖可得:

image

由Vo=D*Vin和能量守恒得:

image

將(1-1)和(1-3)帶入(1-2)得:

image

由有效值定義得:

所以,為了簡化,選擇RMS額定電流大于最大負載電流一半的輸入電容器即可

b.電壓參數計算
同時,輸入電容容值也會影響轉換器的輸入電壓紋波。
由于一個周期內,電容的充電電荷量和放電電荷量必然是一樣的。為了簡便計算,對充電過程(上管斷開時,對輸入電容進行充電)進行分析,因為此時充電電流為輸入電流,為Iin。
根據電荷量計算公式可得:

image

將(1-3)和(1-5)帶入(1-4)可得到電壓紋波電壓計算公式:

image

帶入之前討論的最惡劣情況Vo=0.5Vin后,得到:

image

由于使用的電容都不可能為理想電容,必定會帶來一些寄生參數。如果將ESR帶入考慮的話,分析如下

image

當上管斷開時,ESR上面產生的壓降時恒定的,為:

image

當上管導通時,ESR上產生的最大壓降為:

則一個周期的ESR電壓紋波電壓為:

image

已知

image

將(1-7)和(1-8)帶入(1-6)得到由ESR帶來的輸入電壓紋波為:

image

對于輸入電容的種類,一般建議選擇X5R、X7R陶瓷介質的MLCC。因為這一類電容成本較低,且它們的溫度系數較低(-/+15%左右),即單位溫度的變化對電容容值的變化影響小。再根據上述計算公式,按照對輸入電壓的紋波要求(一般不超過最大輸入電壓的10%)得到所需電容容值及其RMS額定電流。另外,在選擇時還需要注意電容的耐壓值必須要高于最大輸入電壓

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