陶瓷电容根据容量值去选 铝电解电容根据ESR去选 当然了,这一段话很多资料都有,但是很少有实际比较过Uq和Uesr的大小的,文章后面会做实验来实际看看 好,现在输入电容的理论计算已经搞定了,我们接着看输出滤波电容。 输出滤波电容 相比输入纹波△Vi大小,我们可能更关心输出纹波的大小,毕竟是要带负载的。 同样,纹波由电容电荷量变化和ESR决定。 1、电容电荷量变化引起的Uq 一个周期内,电容的充电电荷量和放电电荷量必然一样,我们计算出其中一个就行了。显然,放电的时候更好计算,因为放电电流就是负载电流,是恒定的,为Io=Vo/RL。 放电的电荷量等于容量乘以电容电压的变化,也等于放电电流乘以放电时间,即: Q=Uq*C=Io*Ton 根据这个公式,我们就可以求得Uq了。 2、电流流过电容的ESR造成的压降Uesr Uesr如何计算呢? 我们调出输出电容的电流波形就知道了。 这个波形我解释一下。 在开关导通的时候,二极管不导通,负载的电流为Io,完全由输出滤波电容提供,即滤波电容的放电电流也为Io,而且还是在导通时间里面恒定不变的。 在开关从导通切换到断开时,电感的电流已经是充到最大的,因为先前开关导通时电感一直在充电,所以切换时电感电流最大,且等于电感平均电流加上纹波电流的一半,即为IL+△IL/2。切换时,这个已经充好的电流会通过二极管给负载供电,负载电流为Io。同时,电感还要给电容进行充电,根据节点电流和为0,那么电容的充电电流就是电感充到最大的电流减去负载的电流,即IL+△IL/2-Io。 在开关断开之后,电感电压反向了,所以电感电流持续减小,也就是说二极管的电流持续减小,而负载电流不变,所以输出滤波电容的电流持续减小。 根据上图,在开关切换之前,电容的电流为-Io,那么ESR两端的电压是-Io*ESR。 在切换之后,电容的电流立马反向,为IL+△IL/2-Io,那么ESR两端的电压是(IL+△IL/2-Io)*ESR,两者相减,就是ESR上电压变化量,也是ESR产生的纹波电压大小。 即 Uesr=(IL+△IL/2-Io)*ESR-(-Io*ESR) = (IL+△IL/2)*ESR, 好,我们已经算出Uesr和Uq。 那么根据△Vo=Uesr+Uq,我们就可以△Vo的表达式了,如果知道△Vo,我们也能得到输出滤波电容Co的大小或者是ESR了。 与输入滤波电容一样,考虑到我们使用的电容类型。 陶瓷电容ESR小,容量小,Uq对纹波起决定作用,所以可以近似△Vo=Uq 铝电解电容容量大,ESR大,Uesr对纹波起决定作用,所以可以近似△Vo=Uesr 根据上面两点,我们就可以去选择合适的电容了。 陶瓷电容根据容量值去选 可以看到,公式里面没有电感L,也就是说,如果使用陶瓷电容滤波,增大电感量对输出纹波不起作用,不要傻傻去增大电感啦。 铝电解电容根据ESR去选 不容易啊,现在公式都推导完成了。 下面进入实验环节,以此来检验上面的公式是否正确 实验验证 实验已知条件及纹波要求: 使用boost芯片LT1619。 开关频率是f=300Khz 输入电压Vi=3.3V 输出电压Vo=5V 二极管使用MBR735,导通电压约为:Vd=0.5V 负载R=3Ω,负载电流Io=Vo/R=1.667A 输入纹波要求:△Vi≤30mV 输出纹波要求:△Vo≤50mV 1、首先需要确定电感值L 根据前面推导出的公式计算,可得,电感的取值范围为: 我们求得电感的范围是3.96uH~7.92uH。 我们取现实中常用的电感值L=6.8uH吧。 当然,我们现实中电感选型也要考虑电感的饱和电流是否足够,饱和电流要大于电感会流过的最大电流值ILmax,并且要留有一定的裕量。 显然,这个ILmax=IL+△IL/2。 我们根据前面的公式计算得ILmax=3.1A 2、如果使用陶瓷电容滤波 先看输入滤波电容Ci: Ci的值计算结果(忽略了ESR)如下: 可以看到,Ci要大于8.98uF。 我们取现实中常用的电容值Ci=10uF吧。 并且,在Ci=8.98uF时纹波△Vi=30mV,那么Ci=10uF时,纹波是△Vi=26.94mV,我们记住这个值,后面仿真对比使用。 再看输出滤波电容Co: Co的值计算结果(忽略了ESR)如下: 可以看到,Co需要大于44.45uF。 我们取现实中常用的电容值Co=47uF吧 并且,在Co=44.45uF时纹波△Vo=50mV,那么Co=47uF时,纹波是△Vo=47.29mV,我们也记住这个值,后面仿真对比。 仿真验证: 好,现在电感L,输入滤波电容Ci,输出滤波电容Co都有了 输入电压:3.3V 输出电压:5V L=6.8uH Ci=10uF Co=47uF 我们LTspice仿真电路图如下: 有个问题先解释一下,在电源输入端我加了一个1uH的电感L2,就是为了让输入电源过来的电流基本恒定,模拟前面说的最差的情况(电源比较远)。若果没有这个L2,那么Vin就是稳压源的电压,绝对的稳定,没有纹波的。 我们看仿真结果: 输入纹波电压计算值为26.94mV,仿真值为28mV 输出纹波电压计算值为47.29mV,仿真值为47mV 可以看到,仿真的结果与计算值非常接近,也就验证了计算公式的准确性。 这里插一点,为了方便同志们学习boost,我将关键点的电压,电流波形截图出来了,分析Boost可以参考 有一点需要说明下:图中二极管的电流和输出滤波电容的电流都有一个向下的尖峰,这个尖峰是因为二极管的反向恢复时间造成的 即二极管电压反向,它不能马上恢复截止功能的,需要时间,这个时间就是反向恢复时间,在这个时间里面,二极管可以通过较大的反向电流,所以就有了较大的反向电流存在。
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