电源技术中的电源设计小贴士 21：请注意电容 RMS 纹波额定电流！

电源中常常被忽略的一种应力是输入电容 RMS 电流。若不正确理解它，过电流会使电容过热和过早失效。在降压转换器中，使用下列近似式，根据输出电流 (Io) 和占空比 (D) 可以很轻松地计算出 RMS 电流：      图 1 给出了该表达式的曲线图；它是一个圆形，其中，50%占空比时达到最大值0.5，并在 0% 和 100% 占空比时有 2 个零交叉。该曲线在 50% 占空比附近对称。在 20% 和 80% 之间，RMS 电流和输出电流之间的比大于 80%。使用这一范围的占空比，您可以将 RMS 电流粗略估计为 1/2 最大输出电流。在这一范围之外，您需要进行相应的计算。 图 1 在电源设计中，确保输入电容的正确选型和使用是至关重要的，因为不恰当的电容处理可能会导致电容过热和提前失效。这里我们要关注的是电容的RMS纹波额定电流，这是一个经常被忽视的参数，特别是在降压转换器的设计中。 RMS（均方根）电流是指在交流或脉冲电流条件下，相当于直流电流等效值的电流。在降压转换器中，输入电容承受的RMS电流主要取决于输出电流(Io)和转换器的占空比(D)。计算RMS电流的近似公式是基于这两个因素。当占空比为50%时，RMS电流将达到最大值，约为输出电流的一半。在20%到80%的占空比范围内，RMS电流与输出电流的比例更高，超过80%，所以在此范围内，我们可以粗略估计RMS电流为输出电流的一半。但超出这个范围，就需要精确计算。 图1展示了这个关系的曲线，它显示了一个对称的圆形图形，有两个零交叉点分别在占空比的0%和100%。理解这个曲线对于优化电源设计和选择适当的电容至关重要。 近年来，陶瓷电容器因其高容积效率和成本效益而成为电源设计中的首选。然而，它们的低ESR（等效串联电阻）可能导致EMI滤波器振荡和电压浪涌。为了抑制这些问题，通常会并联电解电容。然而，这也会带来新的挑战，因为大部分纹波电流可能通过电解电容流动，尤其是在高Q电路中。 图2提供了一个实例，显示了在一个100kHz开关转换器中，10uF的陶瓷电容与电解电容并联的情况。在这种配置下，电解电容可能会承受大部分RMS电流。要减少这个电流，可以增加陶瓷电容的容量，提高工作频率，或者增大电解电容的ESR。通过傅里叶分析计算各谐波电流，然后合成RMS电流，可以更好地理解电流分布。需要注意的是，陶瓷电容和电解电容的电流相位差1/4周期，因此在计算中应考虑它们的矢量关系。 为了解决过电流应力问题，有几种策略可供选择：增加工作频率，增加陶瓷电容的数量，增大电解电容的ESR，或者选择具有更大RMS额定电流的电解电容。这些方法可以帮助分散电流负荷，提高电容的可靠性。 总结来说，理解和计算输入电容的RMS纹波电流是电源设计的关键环节，特别是对于那些并联不同类型的电容，如陶瓷电容和电解电容的情况。设计者需要密切关注这些电流值，以避免电容过热和早期失效，从而保证电源系统的稳定性和长期运行。在下个月，我们将进一步探讨DC/DC转换器的反馈环路基础，敬请关注。