基于開關電源的整流濾波中超級電容器解析

本文將超級電容器用于整流濾波，并進行設計和具體實現，測試證明，超級電容器可以用于電源輸出端的整流濾波，而且其濾波效果俱佳。其與電解電容器相比，具有其很大的優勢。
　　濾波電容器在整流濾波電路中起著重要作用，電容量越大濾波效果越好。特別是在低壓整流（如5V、3.3V甚至更低的電壓）輸出時往往因為濾波電容器的電容量不夠大而產生較大的紋波電壓。通過測試表明，整流濾波電路輸出1A電流時，分別采用1000、2200、3300、4700和10000微法的濾波電容器，紋波電壓的峰峰值分別為：6V、2.8V、1.9V、1.1V和0.6V.如果采用更大的濾波電容器，濾波效果將會更好。問題是大容量電容器體積大。怎樣解決這個問題呢？人們立刻想到能否將超級電容器用于整流濾波，本文將通過理論分析和試驗給予詳盡的分析和試驗結果。
　　整流濾波對于電容器的基本要求
　　在開關電源中，輸出整流濾波對于電容器而言有四點基本要求，它們分別是：有足夠的電容量、符合要求的額定電壓、符合要求的ESR（等效串聯電阻）和可以承受相應的紋波電流值。只有同時滿足這四點基本要求，超級電容器才可以用于開關電源的輸出整流濾波。
　　
　　圖1 阻抗頻率特性 圖2 超級電容器作為整流濾波電容器
　　超級電容器作為整流濾波電容器的可能性
　　對于超級電容器而言，它可以輕而易舉的達到法拉級電容量，故超級電容器是有足夠的電容量作為整流濾波。以前超級電容器的額定電壓比較低，雖然可以通過多只串聯的方式解決，但是多只串聯后將導致ESR的增大，從而增加了ESR的問題。而超級電容器不能用于輸出端的整流濾波的主要原因是：在開關電源的輸出端整流濾波時，要求濾波電容器有盡可能低的ESR，而以前的超級電容器多只串聯后的ESR很大，這使得超級電容器在用于輸出整流濾波時會發熱。例如：5個4.7F的超級電容器串聯使用時，其ESR大約為300mΩ，這時，若在超級電容器上流過2A輸出電流時，功率為1.2W，這個功率將導致超級電容器嚴重發熱。不過現在的超級電容器已經達到了很高的水平，例如AVX公司生產了一系列bestcap？超級電容器，它同時具有高額定電壓與低ESR的特點，如：一只90mF/12V的bestcap？超級電容器的ESR約為90mΩ，這與300mΩ相比小很多?？梢?，bestcap？超級電容器的ESR遠低于以前的超級電容器，從而可以同時解決額定電壓與ESR的問題；余下的問題就是能否通過相應的紋波電流是否符合要求。選擇適合的電容量時（例如選擇每安培負載電流1000~10000μF），鋁電解電容器基本上不存在不能承受紋波電流，而且其ESR比較低，所產生的效應基本上對鋁電解電容器幾乎沒有影響。bestcap？超級電容器的ESR與鋁電解電容器的差不多，而且其具有非常的好阻抗頻率特性，故bestcap？超級電容器可以承受相應的紋波電流值。圖1為bestcap？超級電容器的阻抗頻率特性圖。由此可見，bestcap？超級電容器適用于輸出整流濾波。
　　超級電容器用于整流濾波
　　現以90mF/12V的超級電容器為例，其相關參數為額定電壓12V，額定電容量90mF、ESR90mΩ、體積48×30×6.1mm，溫度范圍-40℃~+70℃。