1. 前言
相信電容在大家工作中并不陌生，兩個相互靠近的導(dǎo)體，中間夾一層不導(dǎo)電的絕緣介質(zhì)，這就構(gòu)成了電容器。當(dāng)電容器的兩個極板之間加上電壓時，電容器就會儲存電荷。電容器的電容量在數(shù)值上等于一個導(dǎo)電極板上的電荷量與兩個極板之間的電壓之比。電容器的電容量的基本單位是法拉(F)。在電路圖中通常用字母C表示電容元件。
電容器在調(diào)諧、旁路、耦合、濾波等電路中起著重要的作用。
對于我們工程師來說，了解電容器額定值與其實際電容之間的差異是確保設(shè)計可靠的關(guān)鍵。在考慮用于電表等設(shè)備的電容式降壓電源中的高壓電容器時尤其如此，因為損失過多的實際電容可能導(dǎo)致功率不足以支持應(yīng)用，會產(chǎn)生很多不良結(jié)果。
對于電容式降壓電源，高壓電容器通常是電路中最大的（也是最昂貴的）組件之一。在確定電容器大小時，實際電容必須能夠支持設(shè)計所需的負(fù)載電流。
2.電容器分析
圖 1 顯示了電容器制造商 Vishay 提供的現(xiàn)有電容器的電容值。
假設(shè)我們的設(shè)計計算表明我們的設(shè)計需要一個 1 μF 電容器（60 Hz 時為90 V AC_RMS，25 mA 時為5 V輸出）。考慮到可用的電容器，我們可以選擇 1.2-μF 的電容器以適應(yīng)制造商 20% 的容差。但是，考慮到電容器的耐受性和老化效應(yīng)，我們可能會發(fā)現(xiàn)電容器的實際電容隨著時間的推移而減少 50%。換句話說，在最壞的情況下，我們選擇的 1.2 μF 電容器在其使用壽命結(jié)束時可能只有 0.6 μF 的電容。
圖 1：制造商 Vishay 提供的高壓電容器樣品范圍
等等，老化是個問題？如果該應(yīng)用預(yù)計工作 10 年以上，那么假設(shè)薄膜電容器在產(chǎn)品的整個生命周期內(nèi)可能會因工作溫度、負(fù)載電流和濕度而損失約 25% 的電容并不是沒有道理的。表 1 顯示了在考慮最壞情況容差和老化后對總電容的預(yù)測。
表 1：容差和老化對實際電容的影響
考慮到容差的影響，在傳統(tǒng)電容壓降架構(gòu)中支持 5V OUT 時25mA 負(fù)載的最佳選擇是 2.2μF 電容器，它具有嚴(yán)重的尺寸影響。有沒有更好的辦法？
減輕由于老化引起的電容損耗影響的一種方法是簡單地使用較低值的電容器。例如，如果我們使用降壓轉(zhuǎn)換器將經(jīng)過 DC 整流的 20 V 電壓降至 5 V，以完美的效率在 5 V 輸出時保持 25 mA，但我們只需要調(diào)整高壓電容支持 6.25 mA。
說明一下——在上面的例子中，如果線性電源解決方案需要 1 μF，電壓降低四倍將導(dǎo)致負(fù)載電流能力增加四倍。在本例中，1 μF 減少到 0.25 μF。
查看相同的容差降額，我們將計算出需要 0.3 μF 的電容器，但下一個可用電容器的值為 0.33 μF。再加上老化效應(yīng)，我們應(yīng)該考慮的下一個可用電容器實際上是 0.47 μF。
在電表等應(yīng)用中使用 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器的唯一問題是，它們往往需要非常高的抗干擾能力。這意味著需要防止外部磁場影響設(shè)計的附加電路，如霍爾效應(yīng)傳感器或防篡改外殼，這將增加額外成本。
解決超大電容器問題并仍支持防篡改的一種方法是使用非磁性降壓轉(zhuǎn)換器。TI 的TPS7A78 穩(wěn)壓器無需變壓器或電感器即可產(chǎn)生非隔離式低壓輸出。TPS7A78 將一個 2.2-μF 的電容器減少到 0.470 mF，從而在產(chǎn)品的整個生命周期內(nèi)保證 25 mA 的負(fù)載電流。圖 2 比較了兩個電容器的面積和體積。
圖 2：兩個高壓電容器的面積和體積比較
那么為什么較小的電容器很重要呢？顯而易見的答案是整體解決方案的大小。但不太明顯的好處是待機(jī)功率和效率。將所需的電容量減少四倍，將待機(jī)功耗從~300 mW 降低到~77 mW。在支持 25mA 負(fù)載的 TPS7A78 后面添加智能鉗位電路可將總待機(jī)功率降低至約 15 mW。
在使用電容式降壓電源時，知道如何最小化電容器以確保足夠的電容可為制造商和消費(fèi)者節(jié)省成本。
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