陶瓷電容器非常適合管理紋波電流，因為它們可以過濾開關(guān)模式電源產(chǎn)生的大電流。通常將不同尺寸和值的陶瓷電容器并聯(lián)使用以達(dá)到最佳效果。在這種情況下，每個電容器都應(yīng)滿足其允許的紋波電流額定值。
在這篇文章中，我將以降壓轉(zhuǎn)換器為例來演示如何選擇陶瓷電容器來滿足紋波電流要求。（請注意，鋁電解電容或鉭電容等大容量電容器具有高等效串聯(lián)電阻（ESR）。當(dāng)與陶瓷電容器并聯(lián)時，這些大容量電容器的設(shè)計不是為了承受大的紋波電流。因此，我不會在這里討論它們。）
圖 1 顯示了降壓轉(zhuǎn)換器的基本電路。轉(zhuǎn)換器輸入電流 i IN_D由大紋波電流 Δi IN_D 組成。
圖 1：降壓轉(zhuǎn)換器的基本電路
降壓轉(zhuǎn)換器參數(shù)為：
· 輸入電壓 (V IN ) = 12V。
· 允許輸入紋波電壓 (ΔV IN ) < 0.36V。
· 輸出電壓 (VO ) = 1.2V。
· 輸出電流 (I O ) = 12A。
· 電感峰峰值紋波電流 (ΔIpp) = 3.625A。
· 開關(guān)頻率 (F SW ) = 600KHz。
· 陶瓷電容器的溫升限值 < 10°C。
圖 2 顯示了輸入紋波電流波形。
圖 2：輸入紋波電流波形
為滿足紋波電壓要求，陶瓷電容器的有效電容應(yīng)大于使用公式 1 計算的值：
根據(jù)轉(zhuǎn)換器參數(shù)和要求，C ce_total應(yīng)大于 5μF。
所選陶瓷電容器還必須滿足紋波電流限制。公式 2 計算紋波電流的均方根 (RMS) 值：
假設(shè) I O = 12A，ΔIpp = 3.625A 和 D = 10%，輸入紋波的 RMS 值為 3.615A RMS。
表 1 列出了具有適當(dāng)額定電壓的可用陶瓷電容器的特性。這些電容器具有 10% 的容差。
表 1：電容器特性
雖然一個電容器 A 提供了足夠的有效電容來滿足紋波電壓要求，但其 3.24A RMS的紋波電流額定值略低于轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電流。再增加一塊電容A就可以滿足要求，但它比其他更小的電容占用更多的空間和成本。問題是應(yīng)該添加哪個或多個電容器。為了回答這個問題，我對紋波電流分布進(jìn)行了分析。圖 3 是兩個電容器與一個交流電流源并聯(lián)的簡化示意圖。
圖 3：紋波電流分布示意圖
根據(jù)歐姆定律，電流分布應(yīng)符合公式 3：
陶瓷電容器具有較小的 ESR。圖 4 顯示了兩個示例。
圖 4：陶瓷電容阻抗 |Z| 和 ESR R 超頻
對于低于 1MHz 的頻率，我們可以通過 X C = 1/(jωC)來近似陶瓷電容器的阻抗 X C 。因此等式 3 簡化為等式 4。根據(jù)等式 4，紋波電流與有效電容成正比：
當(dāng)多個電容器并聯(lián)時，允許紋波電流與有效電容之比（I RMS -over-C）最低的電容器將首先達(dá)到紋波電流額定值。假設(shè) C1 的 I RMS -over-C 低于 C2，公式 5 估計總允許紋波電流 I ∑_RMS_Allow：
當(dāng) C1 達(dá)到其允許的紋波電流額定值時，通過 C2 的紋波電流將不會超過其允許的紋波電流，如公式 6 所示：
為了使 I ∑_RMS_Allow ≥ I IN_AC_RMS，附加電容應(yīng)大于由公式 7 計算的電容：
托爾。是這些陶瓷電容器的電容容差。當(dāng)計算中包含容差時，瓶頸電容器的最壞情況紋波電流不會超過其額定值。
我在表 2 中列出了 I RMS -to-C 比作為參數(shù)。
表 2：電容器特性
電容器 A 在 12 VDC偏壓下具有高有效電容。為了滿足紋波電流要求，我們應(yīng)該添加一個或多個額外電容器以滿足紋波電流要求。由于電容器 A 具有最低的 I RMS與 C 之比，因此添加的有效電容 C 附加值應(yīng)大于使用公式 8 計算的值：
有兩種選擇。第一種選擇是添加一塊電容器 B。第二種選擇是添加一塊電容器 C 和兩塊電容器 D。兩種選擇都提供足夠的附加有效電容并占用相似的印刷電路板 (PCB) 區(qū)域。由于后一種方案性價比更高，所以我選擇了第二種方案。
為了驗證我的假設(shè)，我進(jìn)行了 PSPICE 模擬；圖 5 顯示了我使用的電路。對于典型情況，我還使用了電容器的標(biāo)稱值。
圖 5：紋波電流分布仿真電路
圖 6 顯示了電容器紋波電流的仿真波形和 RMS 值，它們是：
· 我CA_RMS_typ = 3.13A RMS。
· 我CC_RMS_typ = 0.353A RMS。
· 我CD_RMS_typ = 0.081A RMS。
· V IN紋波電壓 = 0.299V。
圖 6：每個陶瓷電容器的模擬紋波電流波形
然后，我使用了電容器值，這會使電容器 A（瓶頸電容器）出現(xiàn)最壞的情況。
電容器紋波電流的 RMS 值為：
· 我CA_RMS_max = 3.206A RMS。
· 我CC_RMS_min = 0.306A RMS。
· 我CD_RMS_min = 0.070A RMS。
每個電容器都滿足其允許的紋波電流額定值。
并聯(lián)使用不同尺寸的陶瓷電容器提供了一種緊湊且經(jīng)濟(jì)高效的方式來過濾大紋波電流。但是對于不同的電容和紋波電流額定值，很難確定總允許紋波電流。在這篇文章中，我提出了一個參數(shù)，稱為允許紋波電流與有效電容比，I RMS /C。I RMS /C 幫助我們找到允許紋波電流的瓶頸電容。使用最低的 I RMS /C 來估計總允許紋波電流并選擇額外的電容器。請注意，PCB 寄生效應(yīng)會極大地影響電路性能。這種方法提供了一個很好的估計；但是，我們必須憑經(jīng)驗驗證設(shè)計。
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