選擇輸出電容的注意事項

一個理想的電源轉換器，無論負載如何變化皆需要保持輸出電壓穩定性。實際應用上，負載瞬變期間，輸出電容選用不當會引起漣波電壓與湧浪電流過大，進而影響電源轉換器效能。本文將介紹選定負載電容的準則，並詳細介紹輸出電容對啟動過程的影響，再提供改善建議。

 

緒論

對於車載電池充電應用，輸出漣波電壓異常會縮短電池壽命，湧浪電流突波過大會造成啟動不良，甚至燒毀輸入級電路，因此如何保護輸出電壓電流狀態對系統是十分重要的。如圖1為直流轉直流轉換器示意圖，由於轉換器內部有開關元件，開關切換的過程中會產生電壓雜訊，並透過變壓器耦合到二次側，最終在輸出電容端所量測到包含雜訊成分的漣波電壓，其中漣波電壓是屬於較低頻的電壓；雜訊電壓是屬於較高頻的電壓，因此實現隔離型或非隔離型電源轉換器時，許多設計人員選擇加一個外部電容器連接到電源轉換器的輸出端，以過濾漣波和雜訊。

電源轉換器有許多拓樸架構、控制迴路以及濾波器選項，以實現低輸出漣波電壓與輸入湧浪電流，甚至從設計方向著手，透過增加切換頻率來改善輸出電壓響應與減少濾波器架構的複雜度。

 

輸出漣波

首先使用者觀察電源轉換器中各節點的電流流向，並從圖3可以清楚明白輸出電容能量於反覆充放電過程與輸出漣波電壓連動之關係。圖3所示降壓型電源轉換器操作在連續導通模式下之電壓與電流波形，假設各個元件都是為理想情況，由此波形能幫助了解操作時序。

當功率電晶體導通時，輸入電流流經電感，而電感電流呈線性增加；當電晶體關閉時，電感的電壓極性反轉，二極體變成順向導通。所以原本儲存在電容器的能量，經由二極體和電感釋放到負載上，由此可知電容器 (

C ) 容量大小與漣波電壓 (△V₀), 息息相關，其公式如下

其中△Q 是電荷變化量, T_s 是切換週期d, D 是責任週期.

一旦在大電流的應用下，必須考慮到非理想效應，包含等效串聯電阻(ESR)以及等效串聯電感(ESL)。

ESR影響輸出電壓漣波之大小並且與正比於負載變化量，另外也會加劇輸出電壓降。ESL使輸出電容兩側的電壓值降低並產生突波(Spike)，根據電感的特性，ESL產生的突波與負載變化的時間有關係，若負載上升時間越快，則ESL產生的電壓突波越嚴重，甚至超出規格。將式(1)改成

其中 V₁是最大輸入電壓, △I_L 是電感電流變化量.

電源轉換器輸出端並聯負載電容對於降低漣波電壓和提升暫態響應非常有效。假設欲想降低輸出漣波電壓與突波電壓，必須降低ESR和ESL、提升輸出電容量和開關頻率。

 

負載電容值範圍

由上章節可得知直流-直流電源供應器的輸出端貼並聯一個外部電容，以降低漣波和雜訊；然而，該如何選擇合適的輸出電容值也是需要學習的部分。由式(1)可以得到，輸出負載電容的方程式

假設將電感和電容一起組成的低通濾波器之截止頻率遠小於電源轉換器的操作頻率，則輸出漣波電壓越小。根據使用者的漣波電壓需求，由式(3)與式(4)可以推出最小電容值。

考慮到元件的非理想效應，建議設計負載電容值大於計算值至少十倍以上，以得到更佳效果。

對於降低輸出漣波的要求，許多使用者會選擇過大的負載電容，隨著逐漸增加負載電容，產生過大湧浪電流造成電源轉換器延遲啟動或者是無法操作的問題，其原因為當一開始輸入電壓啟動時，輸出電容器沒有電荷，這段時間的輸出端視同短路而造成輸入湧浪電流瞬間過大，使得較長的啟動時間。

對於大負載電容，湧浪電流峰值會觸發電源轉換器過電流保護電路，讓電源轉換器暫時關閉，然後在自主嘗試重新啟動，而如果持續關閉跟啟動的循環不斷發生，電源轉換器可能受到永久性損壞。因此在保持良好的啟動性能的同時選擇負載電容的最大值是很重要的。如圖中所示，規格書上清楚標示最大負載電容值，一旦使用高於此電容值，很可能遇到啟動不良問題。

 

實驗

以下將使用一特定的直流轉直流轉換器，連接不同的輸出電容，再使用電流探棒量測輸入電流。轉換器為一寬輸入電壓範圍從9到36V輸入，12V輸出穩壓轉換器，輸出功率為30W，輸出電流為2.5A，規格如表1所示。

表 1 轉換器規格

DC to DC Converter
Input voltage	24 Vdc
Typ. output voltage	12 Vdc
Output current @full load	2.5A
Input current @no load	10mA
Max. capacitive load	1200µF

 

圖7為使用輸出電容220µF、680µF、820µF、1200µF、3300µF的輸入電流波形，可見隨著負載電容越高，輸入電流突波越高。當使用最大負載電容時，輸入突波電流已經達到2.86A，其大於最高負載電流。

 

結論

選擇正確的負載電容對於電源轉換器功能是十分重要的，以降低漣波電壓而言，選擇低ESR和ESL的負載電容是有效，但負載電容一昧持續加大亦會造成啟動不良之問題發生，因此限制增加輸出電容，可以在濾波效果和湧浪電流之間實現良好平衡。

 

 

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