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电容,(C)能力越大,(I)责任越大...

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更新说明:①《开关电源宝典 降压电路(BUCK)的原理与应用》已经完成24万字600多页,初稿仍在完善中,部分章节内容不完整,无法严格按照章节顺序更新...②通常只能利用睡觉、工作之外属于我们自己的第三个8小时及周末写作,同时更新到订阅号中,所以是“每周&不定时”更新...

------------------------------------------------1. 简介此文,我们分析下电容器的电容量C与其过电流I的关系。引用前文[]中分析过的“电荷公式” ΔQ = I*ΔT = C*ΔV 可知,在 ΔT 和 ΔV 不变的情况下,电容器的电容量C与其过电流I成正比关系。我们知道,电容量C的定义式为C=Q/U,表征的是电容器上单位电势差对应的电荷量;或者直接说,电容量C表示电容器储存电荷的能力。所以,我们可以将电容器的C与I的关系总结为两点:(1) 电容并联,可以分流。每个电容分得的电流与其电容量成正比关系。(2) (C)能力越大,(I)责任越大。也就是,电容器的电容量C越大,需要的充放电电流I也就越大。

图1&2:Great power comes great responsibility.2. 理论分析“电荷公式” ΔQ = I*ΔT = C*ΔV 可知,在 ΔT 和 ΔV 不变的情况下,电容上的充放电电流与电容量的比值 I / C = ΔV / ΔT,这是个常数,所以电容量 C 越大,充放电电流 I 也就越大,二者成正比关系。

图3:BUCK电路输入电容上的瞬时电流

图3所示,是忽略纹波电流情况下的BUCK电路输入电容上的瞬时电流波形,在高边开关管导通的TON期间,电容上的电流为(1-D)*Iout,电容对外放电;在高边开关管关断TOFF期间,电容上的电流为-D*Iout(电容的电流方向规定为:流出电容为正,流入电容为负)。所以,BUCK电路输入电容上电流峰峰值就等于负载电流(1-D)*Iout + D*Iout = Iout,这是输入端总的输入电容上的电流。
图4所示,在TPS5450电路实例输入端存在C1和C4两个电容的情况下,因为 I / C = ΔV / ΔT 为常数,电容量较大的电容器,其上电流也就越大。在总的输入端输入电容电流为ICIN、负载电流为Iout、C1 < C4的情况下,有:IC1 < IC4
ICIN = Iout = IC1 + IC4IC1 = Iout * C1 / (C1 + C4)IC4 = Iout * C4 / (C1 + C4

3. 电容并联,可以分流

图4:TPS5450电路实例这里需要说明的是,实际测试中配置的输出电压大小为3.3V,输入电压典型值是12V。3.1 IOUT=1.0A

图5:IOUT=1.0A,C1=1*47uF,IC1=860mA图6:IOUT=1.0A,C1&C4=2*47uF,IC1=460mA

可见,在 IOUT=1.0A 条件下,当输入端仅有 C1=47uF 电容时,流过 C1 的纹波电流峰峰值为 860mA ;当输入端有 C1&C2=2*47uF 电容时,流过 C1 的纹波电流峰峰值为 460mA ,大致为 860mA 的一半。

3.2 IOUT=2.0A

图7:IOUT=2.0A,C1=1*47uF,IC1=1.7A图8:IOUT=2.0A,C1&C4=2*47uF,IC1=0.9A可见,在 IOUT=2.0A 条件下,当输入端仅有 C1=47uF 电容时,流过 C1 的纹波电流峰峰值为 1.7A ;当输入端有 C1&C2=2*47uF 电容时,流过 C1 的纹波电流峰峰值为 900mA ,大致为 1.7A 的一半。3.3 小结
图5对比图6,图7对比图8,可见在仅有 C1=47uF 的基础上,增加 C4=47uF时,C1 上的纹波电流峰峰值将近减半。这就很好地证明了“电容并联,可以分流”。

4. (C)能力越大,(I)责任越大

图6:IOUT=2.0A,C1=47uFC4=100uF,IC1=0.52A

图7:IOUT=2.0A,C1=47uFC4=100uF,IC4=1.3A图6对比图7,负载电流 Iout = 2.0A、C1 = 47uF、C4 = 100uF 的情况下,总输入电容上的电流峰峰值也是 2.0A ;那么理论上 C1 电流峰峰值应该为 2.0A*47 / (47+100) = 0.64A,C4 电流峰峰值应该为 2.0A*100 / (47+100) = 1.36A;实测,IC1=0.52AIC4=1.3A,与理论分析值0.64A和1.3A比较相近的。两个电流与电容比值分别为,1.3/100=0.013,0.52/47=0.011,可见这两个常数也是比较相近的。

5. 总结

此文,分析总结了BUCK电路输入电容的两个重要特性:(1) 输入电容并联,可以分流。(2) (C)能力越大,(I)责任越大;或者说,输入电容量越大,对应的充放电电流也越大。
对于“(C)能力越大,(I)责任越大”这点,可以如此理解:BUCK电路工作在CCM模式下时,导通时间TON或关断时间TOFF都是固定的,或者说每个周期TSW时间是固定的,忽略输入电压纹波的情况下输入电压VIN也是固定的,所以在多个输入电容并联的情况下,为了保证每个电容上的输入电压都相等,必然是对电容量更大的电容需要更大的充放电电流。与朋友分享你的世界,点点“在看