電源設(shè)計(jì)小貼士 37：折中選擇輸入電容紋波電流的線壓范圍

您在為一個(gè)低功耗、離線電源選擇輸入濾波電容時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一種有趣的權(quán)衡過程。您要折中地選取電容的紋波電流額定值，以適合電源工作所需的電壓范圍。通過增加輸入電容，您可以獲得更多紋波電流的同時(shí)還可以通過降低輸入電容的壓降來縮小電源的工作輸入電壓范圍。這樣做會(huì)影響電源的變壓器匝數(shù)比以及各種電壓及電流應(yīng)力。電容紋波電流額定值越大，應(yīng)力越小，電源效率也就越高。

圖 1 和圖 2 顯示了離線電源中使用的兩種整流器配置結(jié)構(gòu)。圖 1 為一個(gè)全波橋接，其中，AC 輸入電壓經(jīng)過簡單整流以后便被送至電容。這種電路常見于寬范圍 AC 和 230 伏 AC 應(yīng)用中。電容充電至正弦波峰值，然后在大部分半周期放電。電容紋波電流包括兩個(gè)部分：首先是充電周期，其電流由電容值和所應(yīng)用的 dV/dt 決定；其次是電容放電。電源起到恒定電源負(fù)載的作用，因此電容以非線性速率實(shí)施放電，其計(jì)算方法為：W = ½ * C *V^2 = P * dt。

圖 1 用于許多離線設(shè)計(jì)中的全波橋接

圖 2 描述了一種倍壓器整流配置結(jié)構(gòu)，許多 115/230 VAC 應(yīng)用都使用了這種結(jié)構(gòu)。如果您有一個(gè) 230 VAC 應(yīng)用，則您的輸入級(jí)需要處理最大輸入電壓（265 VAC）乘以峰值因數(shù)這么大的電壓，其接近 400 伏。在與一個(gè) 115 VAC 輸入一起使用時(shí)，倍壓器將經(jīng)過整流的電壓，增壓至接近 230 VAC 輸入電平。我們可以專為 230 VAC 線壓設(shè)計(jì)一個(gè)電源，以此來減小電源工作的整流后電壓范圍。我們通常使用一個(gè)跳線或者開關(guān)，來實(shí)現(xiàn)不同整流器配置之間的切換。這種方法的唯一缺點(diǎn)是偶爾出現(xiàn)人為倍增 230 VAC 輸入的情況，從而對(duì)電源造成嚴(yán)重破壞。圖 2 顯示了倍壓器電路的一些波形。電容之間不帶電。兩個(gè)整流器交替對(duì)每個(gè)電容施加輸入電壓。一個(gè)周期中，每個(gè)電容都被充電至峰值線壓，這樣它們每個(gè)都有一個(gè)線頻率紋波部分。由于電容為異相位充電，因此其和的紋波頻率為線頻率的兩倍。

圖 2 倍壓器減小電源線壓范圍

圖 3 顯示了四種整流器/輸入電壓方法的 uF/W 標(biāo)準(zhǔn)化壓降。共有三種全波橋接方法，適用于低線壓美國（108 VAC/60 Hz）、低線壓日本（85 VAC/50 Hz）和低線壓歐洲（216 VAC/50 Hz）。另外，還有一個(gè)低線壓日本的倍壓器。就全波橋而言，標(biāo)準(zhǔn)化過程只需將電容除以功率。在倍壓器中，標(biāo)準(zhǔn)化方法是將兩個(gè)串聯(lián)電容之一的電容除以功率。要想使用該曲線圖，請(qǐng)首先確定您的整流器配置結(jié)構(gòu)，并選擇一個(gè)可以接受的壓降。之后，您只需讀取輸入電容的　uF/W　便可。最后，通過乘以您的功率，便可去標(biāo)準(zhǔn)化。

圖 3 大電容可減小輸入線壓范圍并提高效率

之后，您便可以利用圖 4 來計(jì)算電容的紋波電流額定值。圖 4 顯示了標(biāo)準(zhǔn)化紋波電流與標(biāo)準(zhǔn)化輸入電容的對(duì)比關(guān)系。有趣的是，紋波電流并非與電容密切相關(guān)。這是因?yàn)樵诜烹娖陂g，電流由一個(gè)來自負(fù)載的接近于恒定的電流所決定。只有在充電周期，電流才會(huì)極為不同。電容 (uF/W) 減小時(shí)，漸進(jìn)紋波電流增加，這時(shí)便出現(xiàn)上述情況。更大電容、更小傳導(dǎo)角時(shí)，峰值電流更高。請(qǐng)注意，該曲線圖僅包括線頻率紋波電流，并未包括高頻電源紋波電流效應(yīng)。

圖 4 增加 uF/W 不會(huì)明顯增加輸入電容紋波電流

總之，設(shè)計(jì)人員在選擇輸入電容和整流器配置結(jié)構(gòu)時(shí)進(jìn)行一些折中處理非常重要。如果選擇寬范圍應(yīng)用的全波橋接，則電源可能需要在 4：1 輸入范圍工作運(yùn)行。如果設(shè)計(jì)人員選擇在設(shè)計(jì)中使用一個(gè)倍壓器來減小這一范圍，則存在用戶誤操作導(dǎo)致出現(xiàn)過電壓的隱患。根據(jù)本文提供的曲線圖來選擇正確的輸入電容，可以在一定程度上限制工作電壓范圍。