溫度條件下電解電容器對開關(guān)電源電路的紋波噪聲影響

朱 浩，王文兵

（1.陸軍裝備部駐南京地區(qū)軍事代表局駐合肥地區(qū)軍事代表室，安徽 合肥 230000；2.合肥同智機(jī)電控制技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

開關(guān)電源電路中電解電容器作為濾波器件進(jìn)行充電和放電，影響輸出電源的紋波電壓。在設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路時(shí)，經(jīng)常只關(guān)注輸出電容的容量，忽略了溫度對輸出電源紋波噪聲的影響。實(shí)際工程應(yīng)用中，除了考慮電容的容量因素，還需考慮不同溫度工作條件下等效串聯(lián)電阻和容量變化因素，尤其低溫工作條件下，對輸出電源紋波的影響[1]。

1 低溫條件下鋁電解電容引起輸出電壓的紋波噪聲偏大

以Buck開關(guān)電源電路為例，將直流24 V電源變換為直流5 V，電源電路設(shè)計(jì)如圖1所示。開關(guān)電源芯片Uo輸出為一定開關(guān)頻率的電壓脈沖，經(jīng)電感L1和電容C3濾波后輸出穩(wěn)定電源。開關(guān)電源電路的供電電壓為直流24 V，輸出電壓為5 V，輸出紋波為：

圖1 Buck開關(guān)電源電路

式中，ΔU表示輸出電壓紋波，ΔI表示電感電流紋波，一般取輸出電流的10%～20%，CO表示輸出濾波電容，T表示開關(guān)周期。

通過分析，輸出電壓紋波與輸出濾波電容成反比。在實(shí)際工程應(yīng)用中，隨著環(huán)境溫度的變化，輸出電源的紋波也會(huì)隨著改變。在常溫環(huán)境和低溫-40 ℃環(huán)境下，分別測試開關(guān)電源電路輸入電壓和5 V電源電壓，波形如圖2和圖3所示。通過對比，在輸入電壓相同，輸出負(fù)載相同的條件下，低溫環(huán)境下開關(guān)電源電路輸出紋波比常溫環(huán)境下的紋波增加780 mV，5 V紋波增加導(dǎo)致負(fù)載電路工作異常。一些工程項(xiàng)目5 V紋波超過500 mV，則會(huì)導(dǎo)致負(fù)載電路工作異常[2]。

圖2 常溫下開關(guān)電源電路輸入電源和5 V電源波形

圖3 低溫-40 ℃下開關(guān)電源電路輸入電源和5 V電源波形

2 鋁電解電容在全溫條件下輸出電壓紋波噪聲情況

為了驗(yàn)證鋁電解電容在開關(guān)電源電路中對輸出電源電壓紋波噪聲的影響，在相同輸入情況下，分別進(jìn)行了空載和帶載條件下，全溫（-40～60 ℃）范圍內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與分析。

2.1 空載條件下試驗(yàn)情況

在-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃以及60 ℃下，分別記錄輸出電壓最大值、最小值以及紋波峰峰值，結(jié)果如表1所示，低溫（-40 ℃）下的輸出電壓波形如圖4所示。

圖4 低溫-40 ℃下5 V電源波形（空載、鋁電解電容）

表1 空載時(shí)輸出電壓及電壓紋波（鋁電解電容）

由表1及圖4分析可知，空載時(shí)，當(dāng)溫度由20 ℃逐漸升高至60 ℃時(shí)，輸出電壓紋波呈現(xiàn)減小趨勢；當(dāng)由20 ℃逐漸降低至-40 ℃時(shí)，輸出電壓紋波呈現(xiàn)增大趨勢，輸出電壓紋波最大值為960 mV。綜上，鋁電解電容空載時(shí)，全溫條件下輸出電壓紋波變化量為640 mV，紋波最大值為960 mV[3-5]。

2.2 帶載條件下試驗(yàn)情況

在-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃以及60 ℃下，分別記錄輸出電壓最大值、最小值以及紋波峰峰值，結(jié)果如表2所示，全溫（-40～60 ℃）下的輸出電壓波形如圖5所示。

表2 帶載時(shí)輸出電壓及電壓紋波（鋁電解電容）

圖5 全溫-40～60 ℃下5 V電源波形（帶載、鋁電解電容）

由表2及圖5可知，帶載時(shí)，當(dāng)溫度由20 ℃逐漸升高至60 ℃時(shí)，輸出電壓紋波呈減小趨勢；當(dāng)由20 ℃逐漸降低至-40 ℃時(shí)，輸出電壓紋波呈現(xiàn)增大趨勢，紋波最大值為1 680 mV。綜上，鋁電解電容帶載時(shí)，全溫條件下輸出電壓紋波變化量為1 000 mV，紋波最大值為1 680 mV。

3 鉭電解電容在全溫條件下輸出電壓紋波噪聲情況

為了驗(yàn)證鉭電解電容在開關(guān)電源電路中對輸出電源電壓紋波噪聲的影響，在相同輸入情況下，分別進(jìn)行了空載和帶載條件下，全溫（-40～60 ℃）范圍內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與分析。

3.1 空載條件下試驗(yàn)情況

在-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃一是60 ℃下，分別記錄輸出電壓最大值、最小值、紋波峰峰值，結(jié)果如表3所示，全溫（-40～60 ℃）下的輸出電壓波形如圖6所示。

表3 空載時(shí)輸出電壓及電壓紋波（鉭電解電容）

圖6 全溫-40～60 ℃下5 V電源波形（空載、鉭電解電容）

由表3及圖6可知，空載時(shí)，當(dāng)溫度由20 ℃逐漸升高至60 ℃時(shí)，輸出電壓紋波呈現(xiàn)增大趨勢，紋波達(dá)到了240 mV；當(dāng)由20 ℃逐漸降至-20 ℃時(shí)，電壓紋波達(dá)到最大值360 mV；當(dāng)溫度繼續(xù)降低至-40 ℃時(shí)，輸出電壓紋波減小至240 mV。綜上，鉭電解電容空載時(shí)，全溫條件下輸出電壓紋波變化量為120 mV，紋波最大值為360 mV。

3.2 帶載條件下試驗(yàn)情況

在-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃以及60 ℃下，分別記錄輸出電壓最大值、最小值、紋波峰峰值，結(jié)果如表4所示，全溫（-40～60 ℃）下的輸出電壓波形如圖7所示。

表4 帶載時(shí)輸出電壓及電壓紋波（鉭電解電容）

圖7 全溫-40～60 ℃下5 V電源波形（帶載、鉭電解電容）

由表4及圖7可知，帶載時(shí)，當(dāng)溫度由20 ℃逐漸升高至60 ℃時(shí)，輸出電壓紋波呈現(xiàn)出增大趨勢，紋波達(dá)到了280 mV；當(dāng)溫度由20 ℃逐漸降低至-40 ℃時(shí)，輸出電壓紋波呈現(xiàn)增大趨勢。綜上，鉭電解電容帶載時(shí)，全溫條件下輸出電壓紋波變化量為320 mV，紋波最大值為560 mV。

4 固態(tài)電容在全溫條件下輸出電壓紋波噪聲情況

為了驗(yàn)證固態(tài)電容在開關(guān)電源電路中對輸出電源電壓紋波噪聲的影響，在相同輸入情況下，分別進(jìn)行了空載和帶載條件下，全溫（-40～60 ℃）范圍內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與分析。

4.1 空載條件下試驗(yàn)情況

在-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃以及60 ℃下，分別記錄輸出電壓最大值、最小值、紋波峰峰值，結(jié)果如表5所示。全溫（-40～60 ℃）下的輸出電壓波形如圖8所示。

圖8 全溫-40～60 ℃下5 V電源波形（空載、固態(tài)電容）

表5 空載時(shí)輸出電壓及電壓紋波（固態(tài)電容）

由表5及圖8分析可得，在全溫條件下，對固態(tài)電容而言，空載時(shí)，當(dāng)溫度由0～60 ℃時(shí)，輸出電壓紋波保持不變，紋波為160 mV；當(dāng)溫度降至-20 ℃時(shí)，輸出電壓紋波增大且達(dá)到最大值200 mV，當(dāng)溫度繼續(xù)降低至-40 ℃時(shí)，輸出電壓紋波又恢復(fù)至160 mV。綜上，空載時(shí)，全溫條件下輸出電壓紋波變化量為40 mV，紋波最大值為200 mV，固態(tài)電容的性能比較穩(wěn)定，受溫度影響相對較小。

4.2 帶載條件下試驗(yàn)情況

在-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃以及60 ℃下，分別記錄輸出電壓最大值、最小值、紋波峰峰值，結(jié)果如表6所示。全溫（-40～60 ℃）下的輸出電壓波形如圖9所示。

表6 帶載時(shí)輸出電壓及電壓紋波（固態(tài)電容）

圖9 全溫-40～60 ℃下5 V電源波形（帶載、固態(tài)電容）

由表6及圖9分析可知，全溫環(huán)境下，帶載時(shí)，當(dāng)溫度由20 ℃逐漸升高至60 ℃時(shí)，固態(tài)電容的輸出電壓紋波呈現(xiàn)減小趨勢，紋波最小值為160 mV；當(dāng)溫度由20 ℃降至0 ℃時(shí)，輸出電壓紋波由200 mV減小至170 mV；當(dāng)溫度繼續(xù)降低至-40 ℃低溫時(shí)，輸出電壓紋波增加至200 mV。綜上，對固態(tài)電容而言，空載和帶載時(shí)，全溫環(huán)境下輸出電壓紋波變化量為80 mV，紋波最大值為240 mV。

5 結(jié) 論

通過相同電容值的鋁電解電容、鉭電解電容、固態(tài)電容3種電容器，在全溫條件下對開關(guān)電源電路的紋波噪聲影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對比分析可以得出以下結(jié)論。一是通過空載與帶載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，帶載條件下輸出紋波偏大，-40 ℃且?guī)лd條件下，鋁電解電容輸出電壓紋波最大，為1 680 mV，固態(tài)電容輸出紋波最小，為240 mV。二是在全溫條件下，固態(tài)電容的輸出電壓紋波受溫度變化影響較小，對紋波電壓有較高要求的電路，采用固態(tài)電容作為輸出濾波器件。