负载电容对电源转换器启动过程的影响

理想的电源转换器需要无论负载如何变化都保持输出电压稳定。在实际应用中，负载瞬态期间选择不合适的输出电容会导致过高的纹波电压和浪涌电流，从而影响电源转换器的性能。本文将介绍选择输出电容的指南，详细介绍负载电容对启动过程的影响，并提供改进建议。

介绍

对于汽车电池充电应用，异常的输出纹波电压会缩短电池寿命，而较大的浪涌电流会导致启动不良，甚至烧毁输入级电路。因此，如何保护输出电压和电流状态对于系统来说非常重要。图 1 是 DC/DC 转换器的示意图。电压噪声是在 MOSFET 开关期间产生的，并通过变压器耦合到输出侧。然后在输出电容器处测量的纹波是包含噪声成分的纹波电压。纹波电压的成分包括纹波电压是较低频率的电压，而噪声电压是较高频率的电压，因此在实现隔离或非隔离电源转换器时，许多设计人员选择添加外部电容器连接到电源的输出端并联转换器，可过滤纹波和噪声。

功率转换器有多种拓扑结构、控制环路类型和滤波器来实现低输出纹波电压和低输入浪涌电流，甚至从设计理念来看，可以通过提高开关频率来改善输出电压响应并降低滤波器复杂度。

输出纹波

首先用户观察电源转换器中各节点的电流流向，从图3可以清楚地了解充放电过程中输出电容与输出纹波电压的关系。降压电源转换器工作在连续导通模式下的电压和电流波形如图3所示。假设每个元件都是理想的，波形可以帮助理解操作顺序。

当功率晶体管导通时，输入电流流过电感，电感电流线性增加；当晶体管关断时，电感的电压极性反转，二极管正向导通。因此，原来存储在电容器中的能量通过二极管和电感器释放到负载。可以看出，电容（

c)与纹波电压( △V0)密切相关，计算公式如下

其中△ Q 为电荷变化量，Ts为开关周期，D 为占空比。

一旦进入大电流应用，就必须考虑非理想效应，包括等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）。

ESR 影响输出电压纹波的幅度，并与负载变化成正比。另外ESR也会加剧输出电压降。ESL 降低输出电容器电压并产生尖峰。根据电感的特性，ESL产生的电压尖峰与负载变化的时间有关。如果负载上升得更快，电压尖峰就会严重，甚至超出规格。将式(1)改写为

其中V 1为最大输入电压，△ I L 为电感电流的变化量。

电源转换器的并联输出电容对于降低纹波电压和改善瞬态响应非常有效。假设要降低输出纹波电压和浪涌电压，则必须降低ESR和ESL，增加输出电容和开关频率。

负载电容范围

从上一章我们可以知道，电源转换器的输出端并联了一个外部电容，以减少纹波和噪声

假设由电感和电容组成的低通滤波器的截止频率远低于功率变换器的工作频率，则输出纹波电压较小。根据用户的纹波电压要求，最小电容值可由公式（3）和（4）推导出来。

考虑到元件的非理想效果，建议设计负载电容值至少比计算值大十倍，以获得更好的性能。

为了降低输出纹波的要求，很多用户会选择过大的负载电容。随着负载电容逐渐增大，过大的浪涌电流会导致功率变换器启动时间延迟甚至无法工作。原因是初始输入电压启动时，输出电容还没有电荷，所以这段时间输出端被视为短路，导致输入瞬间浪涌电流过大，导致启动时间较长启动时间。

对于大负载电容，浪涌电流峰值会触发功率变换器过流保护电路，暂时关闭功率变换器，然后尝试自主重启，而如果不断发生连续关闭和启动的循环，功率变换器可能会遭受永久性损坏。

因此，在保持启动性能的同时选择负载电容的最大值非常重要。如图所示，规格表上清楚标明了最大负载电容值。一旦选择的电容高于该值，很可能会遇到启动不良的问题。