1. 前言
相信電容在大家工作中并不陌生，兩個(gè)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(gè)極板之間加上電壓時(shí)，電容器就會(huì)儲(chǔ)存電荷。電容器的電容量在數(shù)值上等于一個(gè)導(dǎo)電極板上的電荷量與兩個(gè)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(duì)于我們工程師來(lái)說(shuō)，了解電容器額定值與其實(shí)際電容之間的差異是確保設(shè)計(jì)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(shí)尤其如此，因?yàn)閾p失過(guò)多的實(shí)際電容可能導(dǎo)致功率不足以支持應(yīng)用，會(huì)產(chǎn)生很多不良結(jié)果。
對(duì)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(shí)，實(shí)際電容必須能夠支持設(shè)計(jì)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(jì)計(jì)算表明我們的設(shè)計(jì)需要一個(gè) 1 μF 電容器（60 Hz 時(shí)為90 V AC_RMS，25 mA 時(shí)為5 V輸出）?？紤]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(huì)發(fā)現(xiàn)電容器的實(shí)際電容隨著時(shí)間的推移而減少 50%。換句話說(shuō)，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(shí)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(gè)問(wèn)題？如果該應(yīng)用預(yù)計(jì)工作 10 年以上，那么假設(shè)薄膜電容器在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)可能會(huì)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(méi)有道理的。表 1 顯示了在考慮最壞情況容差和老化后對(duì)總電容的預(yù)測(cè)。
表 1：容差和老化對(duì)實(shí)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(shí)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(méi)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(jiǎn)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(guò) DC 整流的 20 V 電壓降至 5 V，以完美的效率在 5 V 輸出時(shí)保持 25 mA，但我們只需要調(diào)整高壓電容支持 6.25 mA。
說(shuō)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(jì)算出需要 0.3 μF 的電容器，但下一個(gè)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(gè)可用電容器實(shí)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(wèn)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(chǎng)影響設(shè)計(jì)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(wèn)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(wú)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(gè) 2.2-μF 的電容器減少到 0.470 mF，從而在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)保證 25 mA 的負(fù)載電流。圖 2 比較了兩個(gè)電容器的面積和體積。
圖 2：兩個(gè)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(jiàn)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(shí)，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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