Boost变换器的输入电容是做什么的用?
硬件十万个为什么 2023-06-06
DC/DC电源来说,顾名思义,其上一级输入一定也是一个直流电压。对于理想情况来说,对于一个DC/DC来说,其输入的电压值稳定可靠,永远保持在一个稳定的状态,无论后面的电流怎么变化,其电压都恒定在设置的电压。后一级的电流变化如同一个干扰项,干扰前一级的电压稳定度,两者如同掰手腕,看谁力气大。理论上,这个Vin的电压就是12V,永远都是12V,不管后面电流咋变,反正能绝对的把Vin的电压控制在12V,无论后一级电流如何变化都不会改变。很多理想电源供电的场景,是不需要滤波电容了。这一点,实际电路肯定做不到,所以需要输入滤波电容来提供瞬态的电流需求。

实际场景中,从上一级直流电源到下一级DC/DC电源之间有PCB走线或者线缆走线。实际应用中,输入电源可能距离很远,有了很长的走线,走线越长,电感就越大。由于这个电感的存在,即使上一级电源是理想电源,由于电感电流不能突变,需要一个储能器件来辅助提供瞬间变化的电流。此时我们就需要一个电容接到电源输入的地方。

如果两级电源足够的近,这个电感不是就足够的小,小到可以忽略,是不是可以不需要这个电容?答案是否定的,因为:第一,没有所谓的理想电源,上一级电源也是依赖电容实现稳压;第二,实际场景中,两级电源之间不可能足够短,很可能有很长的PCB走线或者有线缆。

那么我们应该选择多大容量的电容作为输入电容呢?

和Buck电路一样,需要对Boost变换电路的输入电容的容值进行选择。这个电容的容值如果选大了,或者用多了,是浪费;电容选小了,或者用少了,会导致两种后果:

①电容值不够,导致输入电源的电压跌落;

② 输入电容能够承载的有效电流不能够满足额定要求,导致电容过热引起失效。

输入电容随Boost电源不断开关进行充电和放电:当开关打开时,电流突然增大,输入电容辅助提供电流,此时输入电容处于放电状态;当开关关闭时,电流突然减小为0,则输入电容处于充电状态。

根据基尔霍夫定律,所有进入某节点的电流的总和等于所有离开这节点的电流的总和。我们来分析“电源输入节点”的电流。节点的电流有3个,一个是来自电源输入的,由于我们把Vin看成理想电源以及线路的电感的存在,它可以近似看作是恒定的电流源Iin,一个是流向输入电容Cin的电流Icin,另外一个节点是电感L电流IL。

根据基尔霍夫电流定律,节点电流和为0,并且电源输入的电流恒定,那么当电感电流的变化量必然等于电容电流的变化量,因为最终三个电流的总和为0。

电感上电流我们分析过,是一个锯齿状。那么输入电容的电流变化就是功率电感的电流变化的反向波形。

电容电流大于0时,电容在充电,电容电流小于0时,电容在放电。输入电容上的电流变化的幅度与电感上纹波电流幅度相同,都是ΔIL。

电容电流波形在整个开关周期内的平均值为0,充电和放电在一个周期中各占1/2,在图中充电部分面积和放电部分面积相等,那么在充电或放电的电荷量Q=I*t,从图中可以看出,在一个周期内电容电流变化量是ΔIL,那在电容在充电1/2T周期中电流的变化量是1/2ΔIL。

这个过程中电容储存的电荷量就会发生变化,也是一个动态的电压。充放电的过程中就有电流的流过,而实际的电容不可能是理想的,有相应的等效模型。从电容的等效模型中看,存在等效串联电阻和电感(在实际模型中ESR比较大起到主要作用,我们忽略等效电感),电流流过等效串阻会产生一个电压Vesr。一个是电容放电或者是充电,存储的电荷量发生了变化,这个变化会导致电压变化,可以用公式Q=CVq来表示,Vq即是电压的变化。

此时我们可以计算电容与输入电压纹波的关系。通过电源对输入纹波的要求,来确定我们需要选定的电容的容值。

充电时间:1/2T

充电最大电流:1/2ΔIL

充电电荷量为电流的时间积分,Q=充电三角形面积,如图所示。


我们可以计算在电容上充放电,电容上电量Q的变化,导致的电压的变化量。

电容有等效串联电阻ESR,电容充放电时有电流流过,电流流过ESR会产生压降,这个压降用Vesr表示。输入电容上的ESR也会随着电流变化,影响输入电压的变化。这个计算比较简单,就是电阻的欧姆定律。

从表达式可以发现纹波电流的大小与电感量、开关频率、输入电容值等相关,在选择的过程中要综合实际使用情况,对于大电流场景,我们会同时使用陶瓷电容和电解电容。以往的设计,我们一般认为:陶瓷电容ESR小,容量小,电解电容ESR大,容量大,一般情况会在电源输入端并电解电容和陶瓷电容。现在随着陶瓷电容的工艺越来越进步,相同封装的耐压值和容值都可以做得比较大。所以很多场景下只使用陶瓷电容作为输入电容的选择。铝电解电容有寿命和可靠性的问题,相对来说用得越来越少。


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