電容 RMS 紋波額定電流！

電源中常常被忽略的一種應力是輸入電容 RMS 電流。若不正確理解它，過(guò)電流會(huì )使電容過(guò)熱和過(guò)早失效。在降壓轉換器中，使用下列近似式，根據輸出電流 (Io) 和占空比 (D) 可以很輕松地計算出 RMS 電流：

圖 1 給出了該表達式的曲線(xiàn)圖；它是一個(gè)圓形，其中，50%占空比時(shí)達到最大值0.5，并在 0% 和 100% 占空比時(shí)有 2 個(gè)零交叉。該曲線(xiàn)在 50% 占空比附近對稱(chēng)。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 電流粗略估計為 1/2 最大輸出電流。在這一范圍之外，您需要進(jìn)行相應的計算。

圖 1 在 1/2 輸出電流處出現降壓輸入電容RMS電流峰值

在過(guò)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。陶瓷電容器現在成為繞過(guò)電源功率級的首選。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(jiàn)《電源設計小貼士 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，您應該注意電解質(zhì)中的紋波電流，因為大量的電源紋波電流會(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 轉換開(kāi)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(guò)電容電流的傅里葉級數可以繪制出這一曲線(xiàn)，從而計算每個(gè)諧波（多達 10）的電解電容器電流，并重新組合諧波來(lái)計算電解電容器的總 RMS 電流。請注意，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算方面花費時(shí)間，那么您可以通過(guò)一個(gè)電流源和三個(gè)無(wú)源組件輕松地對該電路進(jìn)行仿真。

圖 2 使用不同電容類(lèi)型時(shí)請注意電解電容電流

總之，要注意輸入電容中的 RMS 電流，因為過(guò)電流應力會(huì )降低電容的可靠性。組合電容類(lèi)型時(shí)更需特別注意，因為陶瓷電容通常會(huì )允許足夠高的紋波電壓在并聯(lián)電解電容中形成過(guò)電流狀態(tài)。這一問(wèn)題的解決方法是增加如下一項或多項：工作頻率、陶瓷電容數量、電解電容 ESR 或其 RMS 額定電流。

附件

下面是輸入電容中 RMS 電流的推導過(guò)程，其假設電感無(wú)窮大。它以矩形脈沖（D0.5*Ipk）的 RMS 電流作為開(kāi)始，并去除了 DC 組件（D*Ipk）。