开关电源输出整流滤波电容器选择

     前言

　　开关电源的输出整流滤波电容器的作用主要是通过利用滤波电容器吸收开关频率及其高次谐波频率的电流分量而滤除其纹波电压分量。也就是说是利用电容器的低阻抗而将交流电流分量的绝大部分，更希望是全部分流到滤波电容器上，使输出电流没有或非常小的交流电流分量。

　　无论正激式开关电源工作输出的矩形波电流，还是反激式开关电源的锯齿波电流，均含有极其丰富的高次谐波电压与电流。这些高次谐波电流是不允许作为输出电流成分流入负载，需要采用高频阻抗低的电容器对其分流短路。这要求滤波电容器应具有很好的阻抗频率特性，这与工频整流滤波对电容器要求大电容量的要求有所不同的（工频整流滤波很容易滤除工频的高次谐波，即使是40次也不过才2000Hz，一般电解电容器很容易实现）。因此开关电源的输出整流滤波电容器即使选用铝电解电容器也应低ESR的铝电解电容器，而绝不能随意到电子市场抓到什么样的铝电解电容器（只要电压、电容量满足要求）均可。这样作的结果将是电源的输出纹波电压过高，特别是峰-峰值电压过高。

　　1．输出滤波电容器对输出纹波电流的旁路作用

　　输出整流滤波电容器的任务主要是旁路开关电源输出的高频交流纹波电流分量，相当于电源的交流等效电路中旁路电容器与负载分享纹波电流，如图1。

图1 旁路电容器与负载分享纹波电流的交流等效电路

　　图中，电流源等效为开关电源的逆变器部分产生的交流纹波电流。在高频段，输出整流滤波电容器的容抗已经小于电容器的ESR，电容器的容抗可以忽略，这时的纹波电流只剩下旁路电容器的ESR与负载分担。很显然，如果旁路电容器的ESR比较大就会变成负载与旁路电容器的ESR分享纹波电流，这样，旁路电容器的分流效果将大打折扣，影响旁路效果。所以除了对电容量的要求外，还希望旁路电容器的ESR越小越好。

　　2．不同电路拓扑要求不同输出滤波特性

　　（1）正激式开关电源要求的输出滤波特性

　　输出滤波电解电容器的性能直接影响开关电源的性能，那么开关电源的电路拓扑和电路设计的合理性是否反过来也影响输出滤波电容器的工作和寿命？结论是肯定的。通常开关电源的主回路的电路拓扑主要有：反激式（包括电流连续与电流断续）、单管正激（包括双管箝位和有源箝位）、半桥与全桥、推挽电路拓扑。除反激式电路拓扑外，其它形式的电路拓扑都可以在主开关管导通期间使输入的电能直接向输出提供。

　　如果开关管的导通占空比为100%，那么输出滤波电容器上就没有纹波电流，输出滤波电容器也没有存在的意义。同时输出滤波电感如果为无穷大，则输出滤波电容器上也没有纹波电流，那么选择什么样的滤波电容也就无所谓。实际上为了稳定输出电压开关管的导通占空比不可能工作在100%，而且输出滤波电感的电感量也不可能达到无穷大，因此输出滤波电容器上还有纹波电流。这时纹波电流的大小主要看输出滤波电感对电流的平滑作用如何，如图2。

图2 输出滤波电感、电容器的电流波形

　　如果输出电流在20%负载仍能连续则输出滤波电容器仅承担输出电流的40%峰-峰值纹波电流，如纹波电流近似为三角波时，其有效值为：

　　其中Irms、IP-P、IO分别为输出滤波电容器的有效值电流和峰--峰值电流。可以得出当负载电流在20%、10%额定电流时为电流临界连续状态，则流过输出滤波电容器的有效值电流为额定输出电流的18.26%、9.13%。应该说相对输出电流而言，这个电流是比较小的，对输出滤波电容器的影响并不很大。

　　（2）反激式开关电源要求的输出滤波特性

　　如果是反激式开关电源，情况将完全不同了，因为所有的输出电流为电感（隔离型的为“变压器”）提供，而电感电流的波动均需要输出滤波电容器来滤除，如图3。

图3 不同电流工作模式下的滤波电感、电容器的电流波形

　　在占空比接近0.4的理想状态下，逆变器输出电流峰值为输出电流平均值的5倍；流过输出整流滤波电容器的纹波电流有效值至少为输出电流平均值的120%以上。

　　这就使得输出整流滤波电容器不得不承受高有效值电流

　　3．对输出滤波电容器性能的要求

　　由于正激式开关电源电路拓扑通过输出滤波电感平滑了逆变器输出电流，因此需要输出整流滤波电容器滤除的交流分量仅为开关电源额定输出电流的20%以下，需要电容器的性能要求不是很高；

　　反激式开关电源要求输出整流滤波电容器“短路”逆变器输出电流的所有交流电流成分，因此将流过非常高的有效值电流，要求电容器具有能够承受这个电流的能力；不仅如此，为了尽可能将所有的交流电流分量“短路”要求输出滤波电容器均由尽可能低的ESR，因此输出整流滤波电容器将需要极低ESR的“高频低阻”铝电解电容器或低ESR钽电解电容器以及陶瓷贴片电容器。选择一般的低阻铝电解电容器实则需要更多数量的才能满性能要求。相对于电容量则不在时选择依据。