過(guò)去，設(shè)計(jì)人員會(huì)使用各種近似值和“經(jīng)驗(yàn)法則”來(lái)選擇轉(zhuǎn)換器的總線電容器 (Cbus)，這些方法并不是特別準(zhǔn)確。

經(jīng)驗(yàn)法則：低壓輸入2uF/W，高壓輸入1uF/W

本文提供了一種快速可靠的選擇最小電解輸入總線電容器的方法，這些電容器將在帶有電容輸入濾波器的 AC-DC 轉(zhuǎn)換器中提供所需的使用壽命。我們以準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器為例（圖 1）。 

圖 1. 簡(jiǎn)化的低功耗 AC-DC 適配器反激原理圖

總線電容器 Cbus，有時(shí)稱為大容量電容器，用于存儲(chǔ)能量 (w) 并將其傳送到電力系統(tǒng)。

電容器 Cbus 每半個(gè)線周期由低頻電流充電，并由轉(zhuǎn)換器汲取的高頻電流脈沖連續(xù)放電。 該動(dòng)作導(dǎo)致低頻交流電流 (Ilf) 和高頻交流電流 (Ihf) 通過(guò) Cbus。 本應(yīng)用簡(jiǎn)介將使用電路仿真來(lái)獲得 Ilf 的 RMS 電流并計(jì)算通過(guò) Cbus 的 Ihf。

總線電容器 (Cbus) 選擇算法包含基于輸出功率要求 (Pout)、假定效率 (η) 和轉(zhuǎn)換器的占空比 (D) 的電路模型的幾次仿真迭代，該算法可以選擇符合以下條件的電容器 將提供應(yīng)用程序所需的使用壽命。

該算法將針對(duì)具有以下規(guī)格的轉(zhuǎn)換器進(jìn)行說(shuō)明：

• Pout = 45W 輸出功率

• Vout = 20-V，輸出電壓

• Vin = 85-265-V RMS，輸入電壓

• η = 90%• Vbus(min) = 75 v，允許的最低直流母線電壓

• 使用壽命：2000 小時(shí)@滿載，100v 50hz 輸入，80°C 內(nèi)部環(huán)境溫度。

• fsw = 100 khz，轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率@最高 Ilf 和 Ihf

• Dmax = 50%，最大占空比

選擇母線電容器 (Cbus)：

1. 選擇一個(gè)大于最大母線電壓 (Vbus(max)) 的母線電容器額定電壓。 Vbus(max) 可以根據(jù)最大 RMS 輸入電壓 (Vin(max)) 使用公式 3 計(jì)算。對(duì)于此設(shè)計(jì)，最大母線電壓將為 375-V，Cbus 的額定電壓需要比計(jì)算的電壓更高，因此 400-V 適合此設(shè)計(jì)。

2. 假設(shè)最小直流母線電壓為 75V，計(jì)算轉(zhuǎn)換器的平均輸入電流并根據(jù) 120uf/安培直流選擇初始母線電容器 (Cbus(init)) 值：

3.我們選擇下一個(gè)等于或大于Cbus(init)的標(biāo)準(zhǔn)值電容

4. 使用電路模擬器和圖 2 中所示的模型來(lái)提取最大 Cbus 低頻電流 (Ilf)，它出現(xiàn)在最大輸出功率和最小輸入電壓下。 為了避免在 Cbus 上的分壓器處被零分頻，應(yīng)將其設(shè)置為正電壓（例如 70-V）并運(yùn)行仿真直到電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

圖 2. Cbus 低頻電流 (Ilf) 仿真模型

82uf 電容產(chǎn)生的最小總線電壓為 71.6v，低于 75v 的最小總線電壓要求，因此必須選擇更大的電容值。

圖 3. 第一個(gè) Vbus 紋波電壓仿真

5. 選擇兩個(gè)并聯(lián)的 47uf 電容器，總共 94 uf 產(chǎn)生 78-V 的最小總線電壓和 924 mA 的總 (Ilft)，100-Hz RMS 低頻電流，（462 mA 的低頻電流（Ilf ) 通過(guò)每個(gè) Cbus 電容器)。

圖 4. 紋波電壓仿真，Cbus = 2x47uf

通過(guò)在兩個(gè)電容之間插入一個(gè) RF 濾波器電感 (Lf)（圖 5），將兩個(gè)電容器并聯(lián)提供了創(chuàng)建差模 EMI π 濾波器的機(jī)會(huì)（圖 5），這將迫使高頻電流流入 Cbusb，但具有 對(duì)兩個(gè)電容之間的低頻電流共享影響不大。

圖 5. 低功耗離線電源適配器

在此示例中，通過(guò)母線電容器 (Cbusb) 的最大高頻 RMS 電流 (Ihf) 可以根據(jù) pout、Vbus(min)、估計(jì)效率 (η) 以及了解轉(zhuǎn)換器的最大占空比來(lái)計(jì)算。 對(duì)于此設(shè)計(jì)示例，最大占空比限制為 50%。

首先計(jì)算峰值開(kāi)關(guān)電流（Iswpk）：

使用 Iswpk，可以計(jì)算 Ihf RMS 電流：

6. 仿真完成并且設(shè)計(jì)中使用的總線電容器的 Ilf 仿真值和計(jì)算出的 Ihf 后，從電解電容器系列的數(shù)據(jù)表中提取額定 120 Hz 紋波電流 (Ilf)， 在電流 Ilf 和額定環(huán)境溫度下，頻率紋波電流系數(shù) (K) 和額定負(fù)載壽命 (L) 為 47-uf、400-V。 對(duì)于我們的示例，我們選擇了一個(gè) 47 µf 電容器，其 100 kHz 紋波電流額定值 (Ilf ) 為 1.2A @85°C，頻率紋波電流紋波系數(shù) K 為 2，負(fù)載壽命 L 為 2000 小時(shí) @85° C。

7. 使用公式 4 計(jì)算總線電容器中的有效 RMS 電流 (Ieff)（推導(dǎo)公式后文會(huì)展現(xiàn)）：

8. 電容器的負(fù)載壽命 Lx 可以使用公式 13 計(jì)算。 在我們的設(shè)計(jì)示例中，我們根據(jù)以下條件計(jì)算 lx：

• Tmax 是數(shù)據(jù)表中的額定環(huán)境溫度（我們的案例為 85° C）

• Δtmax 是高于環(huán)境 tmax 的最大允許熱點(diǎn)溫升（對(duì)于 105°C 額定電容器通常為 5°C，對(duì)于 85°C 額定電容器通常為 15°C ）

• L 是@額定環(huán)境溫度 Tmax 下的額定負(fù)載壽命（我們的案例為 2000 小時(shí)）

• Tx 是工作環(huán)境溫度（我們的案例為 80°C）

• 在我們的示例中，電容器的壽命計(jì)算為 2144 小時(shí)

• 如果此使用壽命不可接受，則可以選擇下一個(gè)更大的值或更高的環(huán)境溫度（105 攝氏度而不是 85 攝氏度）– 更改將對(duì)尺寸和/或成本產(chǎn)生影響。

通過(guò)使用適當(dāng)?shù)姆抡婧徒?，可以更?zhǔn)確地選擇一個(gè)或多個(gè)總線電容器，以滿足在低功耗離線反激式轉(zhuǎn)換器中的設(shè)計(jì)要求。 這種技術(shù)可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)低頻和高頻母線電容器 RMS 電流，可用于為設(shè)計(jì)選擇更好的總線電容器，并具有更長(zhǎng)的使用壽命。

公式推導(dǎo)：

1.有效RMS電流（Ieff）：由于電容器在環(huán)境以上的最大內(nèi)部溫升相同，因此低頻和高頻紋波電流功耗必須相等：

（其中k為datasheet提供的頻率紋波電流系數(shù)）因此，高頻ESR為：

低頻和高頻電流混合的等效 RMS 電流為：

2. 預(yù)期壽命計(jì)算：電解電容器的預(yù)期壽命與溫度之間的關(guān)系遵循阿列尼烏斯定律，即溫度每升高 10°C，壽命減少 2 倍。 對(duì)于額定環(huán)境溫度為 105°C 和 85°C 的電容器，大多數(shù)電容器制造商指定的內(nèi)部熱點(diǎn) ΔT 分別為 5°c 和 15°c。

定義：

• Tmax 額定環(huán)境溫度

• ΔTmax 允許的最大內(nèi)部熱點(diǎn)溫升高于 Tmax

• Tx 工作環(huán)境溫度

• ΔTx 工作熱點(diǎn)溫升高于 Tx

• L Tmax 時(shí)的額定負(fù)載壽命

• Lx 負(fù)載壽命在 Tx