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2018-10-11

如何选择开关电源的输出滤波电容

  通常认为开关电源的输出滤波电容越大越好,其实这种观点是不全面的,影响开关电源直流电压输出品质的最重要参数其实是电容的ESR值。
  
  电容的ESR是指电容的等效串联电阻或阻抗。
  
  理想的电容器是没有电阻的。但是实际上,任何电容都有电阻,这个电阻值和电容的组成材料、结构有关系。在开关电源技术大规模应用之前,普遍采用线性电源,电源电路都工作在低频直流状态,通过滤波整流电路把交流转换成直流。在低频直流电源中,电容的容量对滤波效果起决定作用,电容的串联阻抗作用可以忽略。 但是低频电源效率低,体积大的缺点非常明显。
  
  由于电子技术的进步,近二十年来逐渐发展了脉宽调制的高频开关电源技术,大大地提高了电源的转换效率,也减小了电源的体积。开关电源的工作频率越高,电源的体积就越小。开关电源的工作频率从几十KHz到几MHz不等。在开关电源中,电容的ESR直接影响到电容的效果,它比电容器的容量还重要,事实上我们所说的电容器的容量一般都是在120Hz下测量的值,当工作频率提高时,电容容量会急剧降低,甚至根本不能起到电容的作用。一般而言,应该选择ESR相对较小的电容。 在不同类型的电容中,以电解电容的ESR通常最大,钽电容次之,陶瓷电容最佳。当然,即使是电解电容中,也分普通电解电容和低ESR的电解电容。用在开关电源输出滤波的应该采用低ESR的电解电容。在维修中,如果用普通电解电容替换低ESR的电解电容,开关电源可能短时间能工作,但是寿命肯定不长。弄不好,电容很快因为损耗太大而爆裂甚至爆炸,所以更换电容应该小心。同样容量同样耐压的电解电容,体积大的往往ESR小。同样容量不同耐压的电解电容,耐压高度往往ESR小。同样耐压同样容量的电容,105度比85度的ESR要小。当然,这也不是绝对的,对于同一厂家同一系列的电解电容,基本上成立。
  
  理想的的电容器,本身不会产生任何能量损失,在实际应用中,由于生产电容的材料有电阻率,电容的绝缘介质有损耗,这个损耗可以等效为一个电阻跟电容串联在一起,称为电容的等效串联电阻,英文简称ESR,是Equivalent Series Resistance的缩写。
  
  一般认为电容两端的电压不能突变,当突然对电容施加一个电流,电容因为自身充电,电压会从零开始上升。但是有了ESR的附加影响,等效串联电阻自身会产生电压降,这就导致电容器两端的电压会产生突变。很多情况下,这会导致电容的滤波效果变差,所以很多高质量的开关电源,对输出端的滤波电容要求很高,要求选用低ESR的电容器。
  
  在振荡电路中,ESR也会引起电路功能上失调,造成电路失效甚至损坏等严重后果。所以在多数场合,低ESR的电容,往往比高ESR的有更好的表现。
  
  不过也有例外,有些时候ESR也不是一无是处。在稳压电路中,有一定ESR的电容,在负载发生瞬变的时候,会立即产生波动而引发反馈电路动作,这类快速的响应,以牺牲一定的瞬态性能为代价,获取了后续的快速调整能力,尤其是功率管的响应速度比较慢,并且电容器的体积和容量受到严格限制的时候。这种情形可见于一些使用mos功率管做调整管的三端稳压或者类似的电路中。这种应用场合,太低的ESR反而会降低整体性能。
  
  实际上,需要更低ESR的场合更多,而低ESR的大容量电容价格相对昂贵,所以很多开关电源多采取并联的方法,用多个ESR相对高的铝电解或固态电容并联,组合成一个低ESR的大容量电容。牺牲一定的PCB电路板空间,换来器件成本的减少。
  
  和ESR类似的另外一个概念是ESL,也就是等效串联电感。早期的卷制电容经常有很高的ESL,而且容量越大的电容,ESL一般也越大。ESL经常会成为ESR的一部分,并且ESL也会引发一些电路故障,比如串联谐振等。但是相对容量来说,ESL的比例太小,出现问题的几率很小,再加上电容制作工艺的进步,现在已经逐渐忽略ESL,而把ESR作为除容量之外的主要参考因素了。
  
  电容器还存在一个和电感类似的品质系数Q,这个系数反比于ESR,并且和频率相关,也比较少使用。
  
  由ESR引发的电路故障通常很难检测,而且ESR的影响也很容易在设计过程中被忽视。简单的做法是,在仿真的时候,如果无法选择电容的具体参数,可以尝试在电容上人为串联一个小电阻来模拟ESR的影响,通常的,钽电容的ESR通常都在100毫欧以下,而铝电解电容则高于这个数值,有些种类电容的ESR甚至会高达数欧姆。
  
  ESR值与纹波电压的关系可以用欧姆定律V=R(ESR)×I来表示。公式中的V就表示纹波电压,而R表示电容的ESR,I表示电流。可以看到,当电流增大的时候,即使在ESR保持不变的情况下,纹波电压也会成倍提高。
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