反激电解电容的选择

原创 电源研发精英圈 2021-08-23 20:00


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开关电源的输出都有电容,大部分都是用的电解电容,电解电容的选择一般是根据器耐压,纹波电流,纹波电压等来选择的,但是其容值的现在大部分都是根据经验值去选择,今天我来讲下反激DCM模式的电解电容选择。


首先电压的的选择是非常简单的额,一般是根据输出的电压的值,当然再要考虑过压的电压值,一般比输出过压值要高1.2倍。


容值的选择首先是要根据去纹波电压来现在,我们知道电容的充放电的过程都会有纹波电压的产生,除此之外电解电容不是一个理想的电容,它有ESR,ESL等串联在电解的上面,高频的纹波电流会产生纹波电压,这个纹波电压还不小,所以实际的计算的时候是要考虑,并且电解电容的寿命是根据电容的温度有关系的额,但是我们的知道,电解电容的寿命与有效值纹波电流有关系。



根据上面的图,首先要分析电解电容上面的几个电流,IL是二极管导通后变压器的电流,Io就是输出负载的电流,Ic的是电容上面的电流,但是电容是有充电电流Ic还有放电电流-Ic,对于一个稳定了的电源电解电容上面的充电电流与放电电流应该是相等的,如果充电电流大于放电电流,输出电压肯定会升高,要是充电电流小于放电电流的输出电压会下降。


所以稳定的时候电容上面的充电电流与放电电流是相对的。

那么具体的看下面的图,下图中的Isp是副边变压器的最大电流,是原边最大电流Ip通过匝比折算来的,Isp=n×Ip,n是原边与副边的匝比.on为原边导通,off是原边关断


 


从上面的图上可以看出:

1、当原边导通的时候,输出的电流Io都是由电解电容提供。


2、当原边关断的时候,绕组上面的电流最导通值Isp是大于输出Io,这个时候输出的电流是由变压器 IL提供,同时电解电容上面也有充电。


3、当变压的电流小于Io的时候,输出的电流一部分是变压器提供,一部分是电解电容提供。


电容的充电与放电一定会因为电容的电压有变化,充电的时候 一定是从最低充开始,当绕组电流等于输出电流的时候,电容的纹波电压是最大值,然后就是放电,一直放到下一场二极管导通为止,这个是电容的纹波电压是最低的。


那么电容的充放电引起的纹波电流的计算是怎么样的了,充电的整个过程就是电容上面的纹波电压由最低到最高的过程,所以只有知道充电时间就可以求出纹波电压了。


首先需要求出来给电容充电的时间就是二极管的电流大于输出电流的整个时间,

那们根据实际电感的,di=Isp-Io,dt就是二极管电流大于输出电流的时间段为Tc

··········公式1

因为在整个充电时间里面,电感电流是线性下降的,所以整个充电时间里面的平均电流为Ic

  ···········公式2

根据电容的充电公式

···········公式3

V就是充电引起的纹波电压

根据什么的三个公式就可以得到电容的容值

·········公式4

这只是电容充电引起的纹波电压。


例如一个  10W的电压,输出电压5V,输出电流2A,原边感量2mH,匝比是14,原边的峰值电流0.45A

纹波电压是100mV,开关频率fs为65kHz ,导通时间Ton=4.4uS,Toff≈11uS

根据上面参数能来计算电容值,计算时忽略了二极管的压降

根据计算的结果184.9uf,时间选择容值不能小于184.9uF,那么电解电容取200uF就可以了,这只是根据电容充电引起的纹波来计算的值。


但是实际取值是要比184uF大的多,这是因为输出电容都是用的电解电容,电解电容是有ESR的,电容在充电与放电的过程中肯定会产生纹波电压,那实际的电解电容在取值纹波电压的时候都是根据ESR的大小与纹波电流的大小来计算。


都是通过电容的电流来乘ESR小于要求的纹波电压就可以。

根据上面的图可以看出流过电容的的幅值就是Isp,然后根据纹波要求去求出所对于的ESR值。


然后根据ESR去找合适的电解电容。

Vrip=Isp×ESR,ESR=100mV/6.3A=16mΩ。


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