溫度條件下電解電容器對開關電源電路的紋波噪聲影響

朱 浩，王文兵

（1.陸軍裝備部駐南京地區軍事代表局駐合肥地區軍事代表室，安徽 合肥 230000；2.合肥同智機電控制技術有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

開關電源電路中電解電容器作為濾波器件進行充電和放電，影響輸出電源的紋波電壓。在設計開關電源電路時，經常只關注輸出電容的容量，忽略了溫度對輸出電源紋波噪聲的影響。實際工程應用中，除了考慮電容的容量因素，還需考慮不同溫度工作條件下等效串聯電阻和容量變化因素，尤其低溫工作條件下，對輸出電源紋波的影響[1]。

1 低溫條件下鋁電解電容引起輸出電壓的紋波噪聲偏大

以Buck開關電源電路為例，將直流24 V電源變換為直流5 V，電源電路設計如圖1所示。開關電源芯片Uo輸出為一定開關頻率的電壓脈沖，經電感L1和電容C3濾波后輸出穩定電源。開關電源電路的供電電壓為直流24 V，輸出電壓為5 V，輸出紋波為：

圖1 Buck開關電源電路

式中，ΔU表示輸出電壓紋波，ΔI表示電感電流紋波，一般取輸出電流的10%～20%，CO表示輸出濾波電容，T表示開關周期。

通過分析，輸出電壓紋波與輸出濾波電容成反比。在實際工程應用中，隨著環境溫度的變化，輸出電源的紋波也會隨著改變。在常溫環境和低溫-40 ℃環境下，分別測試開關電源電路輸入電壓和5 V電源電壓，波形如圖2和圖3所示。通過對比，在輸入電壓相同，輸出負載相同的條件下，低溫環境下開關電源電路輸出紋波比常溫環境下的紋波增加780 mV，5 V紋波增加導致負載電路工作異常。一些工程項目5 V紋波超過500 mV，則會導致負載電路工作異常[2]。

圖2 常溫下開關電源電路輸入電源和5 V電源波形

圖3 低溫-40 ℃下開關電源電路輸入電源和5 V電源波形

2 鋁電解電容在全溫條件下輸出電壓紋波噪聲情況

為了驗證鋁電解電容在開關電源電路中對輸出電源電壓紋波噪聲的影響，在相同輸入情況下，分別進行了空載和帶載條件下，全溫（-40～60 ℃）范圍內試驗數據的記錄與分析。

2.1 空載條件下試驗情況

在-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃以及60 ℃下，分別記錄輸出電壓最大值、最小值以及紋波峰峰值，結果如表1所示，低溫（-40 ℃）下的輸出電壓波形如圖4所示。

圖4 低溫-40 ℃下5 V電源波形（空載、鋁電解電容）

表1 空載時輸出電壓及電壓紋波（鋁電解電容）

由表1及圖4分析可知，空載時，當溫度由20 ℃逐漸升高至60 ℃時，輸出電壓紋波呈現減小趨勢；當由20 ℃逐漸降低至-40 ℃時，輸出電壓紋波呈現增大趨勢，輸出電壓紋波最大值為960 mV。綜上，鋁電解電容空載時，全溫條件下輸出電壓紋波變化量為640 mV，紋波最大值為960 mV[3-5]。

2.2 帶載條件下試驗情況

在-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃以及60 ℃下，分別記錄輸出電壓最大值、最小值以及紋波峰峰值，結果如表2所示，全溫（-40～60 ℃）下的輸出電壓波形如圖5所示。

表2 帶載時輸出電壓及電壓紋波（鋁電解電容）

圖5 全溫-40～60 ℃下5 V電源波形（帶載、鋁電解電容）

由表2及圖5可知，帶載時，當溫度由20 ℃逐漸升高至60 ℃時，輸出電壓紋波呈減小趨勢；當由20 ℃逐漸降低至-40 ℃時，輸出電壓紋波呈現增大趨勢，紋波最大值為1 680 mV。綜上，鋁電解電容帶載時，全溫條件下輸出電壓紋波變化量為1 000 mV，紋波最大值為1 680 mV。

3 鉭電解電容在全溫條件下輸出電壓紋波噪聲情況

為了驗證鉭電解電容在開關電源電路中對輸出電源電壓紋波噪聲的影響，在相同輸入情況下，分別進行了空載和帶載條件下，全溫（-40～60 ℃）范圍內試驗數據的記錄與分析。

3.1 空載條件下試驗情況

在-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃一是60 ℃下，分別記錄輸出電壓最大值、最小值、紋波峰峰值，結果如表3所示，全溫（-40～60 ℃）下的輸出電壓波形如圖6所示。

表3 空載時輸出電壓及電壓紋波（鉭電解電容）

圖6 全溫-40～60 ℃下5 V電源波形（空載、鉭電解電容）

由表3及圖6可知，空載時，當溫度由20 ℃逐漸升高至60 ℃時，輸出電壓紋波呈現增大趨勢，紋波達到了240 mV；當由20 ℃逐漸降至-20 ℃時，電壓紋波達到最大值360 mV；當溫度繼續降低至-40 ℃時，輸出電壓紋波減小至240 mV。綜上，鉭電解電容空載時，全溫條件下輸出電壓紋波變化量為120 mV，紋波最大值為360 mV。

3.2 帶載條件下試驗情況

在-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃以及60 ℃下，分別記錄輸出電壓最大值、最小值、紋波峰峰值，結果如表4所示，全溫（-40～60 ℃）下的輸出電壓波形如圖7所示。

表4 帶載時輸出電壓及電壓紋波（鉭電解電容）

圖7 全溫-40～60 ℃下5 V電源波形（帶載、鉭電解電容）

由表4及圖7可知，帶載時，當溫度由20 ℃逐漸升高至60 ℃時，輸出電壓紋波呈現出增大趨勢，紋波達到了280 mV；當溫度由20 ℃逐漸降低至-40 ℃時，輸出電壓紋波呈現增大趨勢。綜上，鉭電解電容帶載時，全溫條件下輸出電壓紋波變化量為320 mV，紋波最大值為560 mV。

4 固態電容在全溫條件下輸出電壓紋波噪聲情況

為了驗證固態電容在開關電源電路中對輸出電源電壓紋波噪聲的影響，在相同輸入情況下，分別進行了空載和帶載條件下，全溫（-40～60 ℃）范圍內試驗數據的記錄與分析。

4.1 空載條件下試驗情況

在-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃以及60 ℃下，分別記錄輸出電壓最大值、最小值、紋波峰峰值，結果如表5所示。全溫（-40～60 ℃）下的輸出電壓波形如圖8所示。

圖8 全溫-40～60 ℃下5 V電源波形（空載、固態電容）

表5 空載時輸出電壓及電壓紋波（固態電容）

由表5及圖8分析可得，在全溫條件下，對固態電容而言，空載時，當溫度由0～60 ℃時，輸出電壓紋波保持不變，紋波為160 mV；當溫度降至-20 ℃時，輸出電壓紋波增大且達到最大值200 mV，當溫度繼續降低至-40 ℃時，輸出電壓紋波又恢復至160 mV。綜上，空載時，全溫條件下輸出電壓紋波變化量為40 mV，紋波最大值為200 mV，固態電容的性能比較穩定，受溫度影響相對較小。

4.2 帶載條件下試驗情況

在-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃以及60 ℃下，分別記錄輸出電壓最大值、最小值、紋波峰峰值，結果如表6所示。全溫（-40～60 ℃）下的輸出電壓波形如圖9所示。

表6 帶載時輸出電壓及電壓紋波（固態電容）

圖9 全溫-40～60 ℃下5 V電源波形（帶載、固態電容）

由表6及圖9分析可知，全溫環境下，帶載時，當溫度由20 ℃逐漸升高至60 ℃時，固態電容的輸出電壓紋波呈現減小趨勢，紋波最小值為160 mV；當溫度由20 ℃降至0 ℃時，輸出電壓紋波由200 mV減小至170 mV；當溫度繼續降低至-40 ℃低溫時，輸出電壓紋波增加至200 mV。綜上，對固態電容而言，空載和帶載時，全溫環境下輸出電壓紋波變化量為80 mV，紋波最大值為240 mV。

5 結 論

通過相同電容值的鋁電解電容、鉭電解電容、固態電容3種電容器，在全溫條件下對開關電源電路的紋波噪聲影響的試驗數據，對比分析可以得出以下結論。一是通過空載與帶載試驗數據分析，帶載條件下輸出紋波偏大，-40 ℃且帶載條件下，鋁電解電容輸出電壓紋波最大，為1 680 mV，固態電容輸出紋波最小，為240 mV。二是在全溫條件下，固態電容的輸出電壓紋波受溫度變化影響較小，對紋波電壓有較高要求的電路，采用固態電容作為輸出濾波器件。