基于開關(guān)電源的整流濾波中超級(jí)電容器的理論分析

本文將超級(jí)電容器用于整流濾波，并進(jìn)行設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，測(cè)試證明，超級(jí)電容器可以用于電源輸出端的整流濾波，而且其濾波效果俱佳。其與電解電容器相比，具有其很大的優(yōu)勢(shì)。

濾波電容器在整流濾波電路中起著重要作用，電容量越大濾波效果越好。特別是在低壓整流（如5V、3.3V甚至更低的電壓）輸出時(shí)往往因?yàn)闉V波電容器的電容量不夠大而產(chǎn)生較大的紋波電壓。通過測(cè)試表明，整流濾波電路輸出1A電流時(shí)，分別采用1000、2200、3300、4700和10000微法的濾波電容器，紋波電壓的峰峰值分別為：6V、2.8V、1.9V、1.1V和0.6V.如果采用更大的濾波電容器，濾波效果將會(huì)更好。問題是大容量電容器體積大。怎樣解決這個(gè)問題呢？人們立刻想到能否將超級(jí)電容器用于整流濾波，本文將通過理論分析和試驗(yàn)給予詳盡的分析和試驗(yàn)結(jié)果。

整流濾波對(duì)于電容器的基本要求

在開關(guān)電源中，輸出整流濾波對(duì)于電容器而言有四點(diǎn)基本要求，它們分別是：有足夠的電容量、符合要求的額定電壓、符合要求的ESR（等效串聯(lián)電阻）和可以承受相應(yīng)的紋波電流值。只有同時(shí)滿足這四點(diǎn)基本要求，超級(jí)電容器才可以用于開關(guān)電源的輸出整流濾波。



圖1 阻抗頻率特性 圖2 超級(jí)電容器作為整流濾波電容器

超級(jí)電容器作為整流濾波電容器的可能性

對(duì)于超級(jí)電容器而言，它可以輕而易舉的達(dá)到法拉級(jí)電容量，故超級(jí)電容器是有足夠的電容量作為整流濾波。以前超級(jí)電容器的額定電壓比較低，雖然可以通過多只串聯(lián)的方式解決，但是多只串聯(lián)后將導(dǎo)致ESR的增大，從而增加了ESR的問題。而超級(jí)電容器不能用于輸出端的整流濾波的主要原因是：在開關(guān)電源的輸出端整流濾波時(shí)，要求濾波電容器有盡可能低的ESR，而以前的超級(jí)電容器多只串聯(lián)后的ESR很大，這使得超級(jí)電容器在用于輸出整流濾波時(shí)會(huì)發(fā)熱。例如：5個(gè)4.7F的超級(jí)電容器串聯(lián)使用時(shí)，其ESR大約為300mΩ，這時(shí)，若在超級(jí)電容器上流過2A輸出電流時(shí)，功率為1.2W，這個(gè)功率將導(dǎo)致超級(jí)電容器嚴(yán)重發(fā)熱。不過現(xiàn)在的超級(jí)電容器已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，例如AVX公司生產(chǎn)了一系列bestcap？超級(jí)電容器，它同時(shí)具有高額定電壓與低ESR的特點(diǎn)，如：一只90mF/12V的bestcap？超級(jí)電容器的ESR約為90mΩ，這與300mΩ相比小很多。可見，bestcap？超級(jí)電容器的ESR遠(yuǎn)低于以前的超級(jí)電容器，從而可以同時(shí)解決額定電壓與ESR的問題；余下的問題就是能否通過相應(yīng)的紋波電流是否符合要求。選擇適合的電容量時(shí)（例如選擇每安培負(fù)載電流1000~10000μF），鋁電解電容器基本上不存在不能承受紋波電流，而且其ESR比較低，所產(chǎn)生的效應(yīng)基本上對(duì)鋁電解電容器幾乎沒有影響。bestcap？超級(jí)電容器的ESR與鋁電解電容器的差不多，而且其具有非常的好阻抗頻率特性，故bestcap？超級(jí)電容器可以承受相應(yīng)的紋波電流值。圖1為bestcap？超級(jí)電容器的阻抗頻率特性圖。由此可見，bestcap？超級(jí)電容器適用于輸出整流濾波。

超級(jí)電容器用于整流濾波

現(xiàn)以90mF/12V的超級(jí)電容器為例，其相關(guān)參數(shù)為額定電壓12V，額定電容量90mF、ESR90mΩ、體積48×30×6.1mm，溫度范圍-40℃~+70℃。

用超級(jí)電容器作為整流濾波電容器

與一般的整流濾波電路一樣，超級(jí)電容器用于整流濾波的電路和輸出電流、流過濾波電容器的電流波形如圖2，只不過濾波電容器換成了超級(jí)電容器。以前，由于超級(jí)電容器的額定電壓很低（僅2.7V），需要數(shù)只超級(jí)電容器串聯(lián)。對(duì)于9V輸出的穩(wěn)壓電源（考慮市電電壓的變化，整流輸出電壓約為10~12V），但現(xiàn)在只采用一只90mF/12V bestcap，超級(jí)電容器就可以實(shí)現(xiàn)9V輸出的穩(wěn)壓電源的濾波。

測(cè)試結(jié)果對(duì)比

通過對(duì)采用兩只插腳式16V/33000μF的鋁電解電容器并聯(lián)作為濾波電容器的整流濾波電路。在整流輸出電壓平均值為9V，負(fù)載電流2.2A時(shí)的整流輸出紋波電壓如圖3，所使用的示波器為F105B數(shù)字示波表，選擇A通道，AC耦合，時(shí)基5mS/div（每格5mS），通道設(shè)置100mV/div（每格100mV）。從圖中可以看到紋波電壓的峰峰值（ΔY）為412mV，充電與放電（電壓波形的上升與下降）時(shí)間基本相同。通過工頻變壓器降壓后的整流電路，由于工頻變壓器的漏感作用（抑制電流變化），使濾波電容器幾乎工作在或者是充電、或者是放電的狀態(tài)，與市電直接整流的狀態(tài)不同。

測(cè)試結(jié)果表明整流輸出濾波電容器選擇10000μF/A（每安培輸出電流用1萬微法）的濾波電容時(shí)，輸出電壓的紋波電壓的峰峰值約為510mV，與理論分析結(jié)果的600mV/A很接近。因此，對(duì)于低壓整流濾波電路，為了獲得低紋波電壓將不得不采用非常大的濾波電容器，不僅體積大而且價(jià)格很高。


圖3 兩只16V/3300 鋁電解電容器并聯(lián)的整流輸出