負載電容對電源轉換器啟動過程的影響

理想的電源轉換器需要無論負載如何變化都保持輸出電壓穩(wěn)定。在實際應用中，負載瞬態(tài)期間選擇不合適的輸出電容會導致過高的紋波電壓和浪涌電流，從而影響電源轉換器的性能。本文將介紹選擇輸出電容的指南，詳細介紹負載電容對啟動過程的影響，并提供改進建議。

介紹

對于汽車電池充電應用，異常的輸出紋波電壓會縮短電池壽命，而較大的浪涌電流會導致啟動不良，甚至燒毀輸入級電路。因此，如何保護輸出電壓和電流狀態(tài)對于系統(tǒng)來說非常重要。圖 1 是 DC/DC 轉換器的示意圖。電壓噪聲是在 MOSFET 開關期間產生的，并通過變壓器耦合到輸出側。然后在輸出電容器處測量的紋波是包含噪聲成分的紋波電壓。紋波電壓的成分包括紋波電壓是較低頻率的電壓，而噪聲電壓是較高頻率的電壓，因此在實現(xiàn)隔離或非隔離電源轉換器時，許多設計人員選擇添加外部電容器連接到電源的輸出端并聯(lián)轉換器，可過濾紋波和噪聲。

功率轉換器有多種拓撲結構、控制環(huán)路類型和濾波器來實現(xiàn)低輸出紋波電壓和低輸入浪涌電流，甚至從設計理念來看，可以通過提高開關頻率來改善輸出電壓響應并降低濾波器復雜度。

輸出紋波

首先用戶觀察電源轉換器中各節(jié)點的電流流向，從圖3可以清楚地了解充放電過程中輸出電容與輸出紋波電壓的關系。降壓電源轉換器工作在連續(xù)導通模式下的電壓和電流波形如圖3所示。假設每個元件都是理想的，波形可以幫助理解操作順序。

當功率晶體管導通時，輸入電流流過電感，電感電流線性增加；當晶體管關斷時，電感的電壓極性反轉，二極管正向導通。因此，原來存儲在電容器中的能量通過二極管和電感器釋放到負載。可以看出，電容（

c)與紋波電壓( △V0)密切相關，計算公式如下

其中△ Q 為電荷變化量，Ts為開關周期，D 為占空比。

一旦進入大電流應用，就必須考慮非理想效應，包括等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）。

ESR 影響輸出電壓紋波的幅度，并與負載變化成正比。另外ESR也會加劇輸出電壓降。ESL 降低輸出電容器電壓并產生尖峰。根據(jù)電感的特性，ESL產生的電壓尖峰與負載變化的時間有關。如果負載上升得更快，電壓尖峰就會嚴重，甚至超出規(guī)格。將式(1)改寫為

其中V 1為最大輸入電壓，△ I L 為電感電流的變化量。

電源轉換器的并聯(lián)輸出電容對于降低紋波電壓和改善瞬態(tài)響應非常有效。假設要降低輸出紋波電壓和浪涌電壓，則必須降低ESR和ESL，增加輸出電容和開關頻率。

負載電容范圍

從上一章我們可以知道，電源轉換器的輸出端并聯(lián)了一個外部電容，以減少紋波和噪聲

假設由電感和電容組成的低通濾波器的截止頻率遠低于功率變換器的工作頻率，則輸出紋波電壓較小。根據(jù)用戶的紋波電壓要求，最小電容值可由公式（3）和（4）推導出來。

考慮到元件的非理想效果，建議設計負載電容值至少比計算值大十倍，以獲得更好的性能。

為了降低輸出紋波的要求，很多用戶會選擇過大的負載電容。隨著負載電容逐漸增大，過大的浪涌電流會導致功率變換器啟動時間延遲甚至無法工作。原因是初始輸入電壓啟動時，輸出電容還沒有電荷，所以這段時間輸出端被視為短路，導致輸入瞬間浪涌電流過大，導致啟動時間較長啟動時間。

對于大負載電容，浪涌電流峰值會觸發(fā)功率變換器過流保護電路，暫時關閉功率變換器，然后嘗試自主重啟，而如果不斷發(fā)生連續(xù)關閉和啟動的循環(huán)，功率變換器可能會遭受永久性損壞。

因此，在保持啟動性能的同時選擇負載電容的最大值非常重要。如圖所示，規(guī)格表上清楚標明了最大負載電容值。一旦選擇的電容高于該值，很可能會遇到啟動不良的問題。