理想的電源轉(zhuǎn)換器需要無論負(fù)載如何變化都保持輸出電壓穩(wěn)定。在實際應(yīng)用中，負(fù)載瞬態(tài)期間選擇不合適的輸出電容會導(dǎo)致過高的紋波電壓和浪涌電流，從而影響電源轉(zhuǎn)換器的性能。本文將介紹選擇輸出電容的指南，詳細(xì)介紹負(fù)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(yīng)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(dǎo)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(zhuǎn)換器的示意圖。電壓噪聲是在 MOSFET 開關(guān)期間產(chǎn)生的，并通過變壓器耦合到輸出側(cè)。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(zhuǎn)換器時，許多設(shè)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(zhuǎn)換器，可過濾紋波和噪聲。

功率轉(zhuǎn)換器有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、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(shè)計理念來看，可以通過提高開關(guān)頻率來改善輸出電壓響應(yīng)并降低濾波器復(fù)雜度。

輸出紋波

首先用戶觀察電源轉(zhuǎn)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(guān)系。降壓電源轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式下的電壓和電流波形如圖3所示。假設(shè)每個元件都是理想的，波形可以幫助理解操作順序。

當(dāng)功率晶體管導(dǎo)通時，輸入電流流過電感，電感電流線性增加；當(dāng)晶體管關(guān)斷時，電感的電壓極性反轉(zhuǎn)，二極管正向?qū)?。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(fù)載。可以看出，電容（

c)與紋波電壓( △V0)密切相關(guān)，計算公式如下

其中△ Q 為電荷變化量，Ts為開關(guān)周期，D 為占空比。

一旦進入大電流應(yīng)用，就必須考慮非理想效應(yīng)，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(fù)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(chǎn)生尖峰。根據(jù)電感的特性，ESL產(chǎn)生的電壓尖峰與負(fù)載變化的時間有關(guān)。如果負(fù)載上升得更快，電壓尖峰就會嚴(yán)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(zhuǎn)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(yīng)非常有效。假設(shè)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(guān)頻率。

負(fù)載電容范圍

從上一章我們可以知道，電源轉(zhuǎn)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(shè)由電感和電容組成的低通濾波器的截止頻率遠(yuǎn)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(dǎo)出來。

考慮到元件的非理想效果，建議設(shè)計負(fù)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(fù)載電容。隨著負(fù)載電容逐漸增大，過大的浪涌電流會導(dǎo)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(dǎo)致輸入瞬間浪涌電流過大，導(dǎo)致啟動時間較長啟動時間。

對于大負(fù)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(guān)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(guān)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(fù)載電容的最大值非常重要。如圖所示，規(guī)格表上清楚標(biāo)明了最大負(fù)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。