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Boost變換器的輸入電容

作者: 時間:2025-12-09 來源: 收藏

對于電源來說,顧名思義,其上一級輸入一定也是一個直流電壓。對于理想情況來說,對于一個來說,其輸入的電壓值穩定可靠,永遠保持在一個穩定的狀態,無論后面的電流怎么變化,其電壓都恒定在設置的電壓。后一級的電流變化如同一個干擾項,干擾前一級的電壓穩定度,兩者如同掰手腕,看誰力氣大。理論上,這個Vin的電壓就是12V,永遠都是12V,不管后面電流咋變,反正能絕對的把Vin的電壓控制在12V,無論后一級電流如何變化都不會改變。很多理想電源供電的場景,是不需要濾波電容了。這一點,實際電路肯定做不到,所以需要輸入濾波電容來提供瞬態的電流需求。

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實際場景中,從上一級直流電源到下一級電源之間有PCB走線或者線纜走線。實際應用中,輸入電源可能距離很遠,有了很長的走線,走線越長,電感就越大。由于這個電感的存在,即使上一級電源是理想電源,由于電感電流不能突變,需要一個儲能器件來輔助提供瞬間變化的電流。此時我們就需要一個電容接到電源輸入的地方。

如果兩級電源足夠的近,這個電感不是就足夠的小,小到可以忽略,是不是可以不需要這個電容?答案是否定的,因為:第一,沒有所謂的理想電源,上一級電源也是依賴電容實現穩壓;第二,實際場景中,兩級電源之間不可能足夠短,很可能有很長的PCB走線或者有線纜。

那么我們應該選擇多大容量的電容作為呢?

和Buck電路一樣,需要對的容值進行選擇。這個電容的容值如果選大了,或者用多了,是浪費;電容選小了,或者用少了,會導致兩種后果:

①電容值不夠,導致輸入電源的電壓跌落;

能夠承載的有效電流不能夠滿足額定要求,導致電容過熱引起失效。

輸入電容隨Boost電源不斷開關進行充電和放電:當開關打開時,電流突然增大,輸入電容輔助提供電流,此時輸入電容處于放電狀態;當開關關閉時,電流突然減小為0,則輸入電容處于充電狀態。

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根據基爾霍夫定律,所有進入某節點的電流的總和等于所有離開這節點的電流的總和。我們來分析“電源輸入節點”的電流。節點的電流有3個,一個是來自電源輸入的,由于我們把Vin看成理想電源以及線路的電感的存在,它可以近似看作是恒定的電流源Iin,一個是流向輸入電容Cin的電流Icin,另外一個節點是電感L電流IL。

根據基爾霍夫電流定律,節點電流和為0,并且電源輸入的電流恒定,那么當電感電流的變化量必然等于電容電流的變化量,因為最終三個電流的總和為0。

電感上電流我們分析過,是一個鋸齒狀。那么輸入電容的電流變化就是功率電感的電流變化的反向波形。

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電容電流大于0時,電容在充電,電容電流小于0時,電容在放電。輸入電容上的電流變化的幅度與電感上紋波電流幅度相同,都是ΔIL。

電容電流波形在整個開關周期內的平均值為0,充電和放電在一個周期中各占1/2,在圖中充電部分面積和放電部分面積相等,那么在充電或放電的電荷量Q=I*t,從圖中可以看出,在一個周期內電容電流變化量是ΔIL,那在電容在充電1/2T周期中電流的變化量是1/2ΔIL。

這個過程中電容儲存的電荷量就會發生變化,也是一個動態的電壓。充放電的過程中就有電流的流過,而實際的電容不可能是理想的,有相應的等效模型。從電容的等效模型中看,存在等效串聯電阻和電感(在實際模型中ESR比較大起到主要作用,我們忽略等效電感),電流流過等效串阻會產生一個電壓Vesr。一個是電容放電或者是充電,存儲的電荷量發生了變化,這個變化會導致電壓變化,可以用公式Q=CVq來表示,Vq即是電壓的變化。

此時我們可以計算電容與輸入電壓紋波的關系。通過電源對輸入紋波的要求,來確定我們需要選定的電容的容值。

充電時間:1/2T

充電最大電流:1/2ΔIL

充電電荷量為電流的時間積分,Q=充電三角形面積,如圖所示。

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我們可以計算在電容上充放電,電容上電量Q的變化,導致的電壓的變化量。

電容有等效串聯電阻ESR,電容充放電時有電流流過,電流流過ESR會產生壓降,這個壓降用Vesr表示。輸入電容上的ESR也會隨著電流變化,影響輸入電壓的變化。這個計算比較簡單,就是電阻的歐姆定律。

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從表達式可以發現紋波電流的大小與電感量、開關頻率、輸入電容值等相關,在選擇的過程中要綜合實際使用情況,對于大電流場景,我們會同時使用陶瓷電容和電解電容。以往的設計,我們一般認為:陶瓷電容ESR小,容量小,電解電容ESR大,容量大,一般情況會在電源輸入端并電解電容和陶瓷電容。現在隨著陶瓷電容的工藝越來越進步,相同封裝的耐壓值和容值都可以做得比較大。所以很多場景下只使用陶瓷電容作為輸入電容的選擇。鋁電解電容有壽命和可靠性的問題,相對來說用得越來越少。


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