第三节　开关电源中滤波电路线圈的选择

一、滤波电感

开关电源中多采用交流输入EMI滤波器,通常干扰电流在导线上传输时有两种方式:共模方式和差模方式。共模干扰是载流体与大地之间的干扰;干扰大小和方向一致,存在于电源任何一相对大地或中线对大地间,主要是由du/dt产生的,di/dt也产生一定的共模干扰。而差模干扰是载流体之间的干扰;干扰大小相等、方向相反,存在于电源相线与中线及相线与相线之间。干扰电流在导线上传输时既可以共模方式出现,也可以差模方式出现,但共模干扰电流只有变成差模干扰电流后,才能对有用信号构成干扰。

交流电源输入线上存在以上两种干扰,通常为低频段差模干扰和高频段共模干扰。在一般情况下差模干扰幅度小、频率低、造成的干扰小;共模干扰幅度大、频率高,还可以通过导线产生辐射,造成的干扰较大,若在交流电流输入端采用适当的EMI滤波器,则可有效地抑制电磁干扰。电源线EMI滤波器基本原理如图2-31所示,其中差模电容C1、C2用来短路差模干扰电流,而中间连接接地电容C3、C4,则用来短路共模干扰电流。共模扼流圈是由两股等粗并且按同方向绕制在一个磁芯上的线圈组成。如果两个线圈之间的磁耦合非常紧密,那么漏感就会很小,在电源频率范围内差模电抗将会变小;当负载电流流过共模扼流圈时,串联在相线上的线圈所产生的磁力线和串联在中线上线圈所产生的磁力线方向相反,它们在磁芯中相互抵消。因此即使在大负载的情况下,磁芯也不会饱和。而对于共模干扰电流,两个线圈产生的磁场是同方向的,会呈现较大电感,从而引起衰减共模干扰信号的信用,这里共模扼流圈要采用磁导率高、频率特性较佳的铁氧体磁性材料。

图2-31　电源线滤波器基本电路图

二、滤波电容

开关电源的寿命很大程度受到电解电容的制约,而电解电容的寿命取决于其内核温升。下面从纹波电流计算、纹波电流实测、电解电容选型、温度测试方法、寿命估算等方面对电解电容作全面的分析。

纹波电流产生的热量引起电容的内部温升,加速电解液的蒸发,当容值下降20%或损耗角增大为初始值的2~3倍时,预示着电解电容寿命的终结。通过检查电容器上的纹波电流,可预测电容器的寿命。下面以连续工作模式的反激变换器输出电容分析为例,重点从纹波电流角度全面分析电解电容的选型与寿命。

1.纹波电流计算

假设已知连续工作模式的反激变换器,共输出电流I_O为1.25A,纹波率r为1.1,占空比D为0.62,开关频率为60kHz,由此可以计算次级纹波电流ΔI_O和有效值电流I_O.rms。

次级纹波电流ΔI_O:

ΔI_O=×r=×1.1=3.62(A)

有效值电流I_O.rms

I_o.rms===2.13(A)

最终得到流过输出电容的纹波电流:

I_co.ac.rms===1.72(A)

图2-32直观显示了该电容的纹波电流波形。

图2-32　纹波电流波形

2.电解电容选型

由上述计算分析得到流过电容的纹波电流为1.72A,综合考虑体积和成本,选择了纹波电流为1.655A的电解电容。该纹波电流需在电源开关频率下选择,表2-16为某厂家电容手册的纹波电流频率因子,不同频率下的纹波电流不同,高频低电容均会给100kHz下的纹波电流,本设计开关频率为60kHz,频率因子在0.96~1之间,在此取1即可。

表2-16　电容纹波电流频率因子

注:纹波电流还有一个温度系数,例如105℃电容,在85℃环境温度下,允许的最大纹波电流约为额定最大纹波电流的1.73倍,该参数一般不在电容手册中体现。

3.温度测试方法

测量容体表面温度T_S:需在电容器侧面的中间位置进行,如果由于外部影响导致电容器表面温度不均匀、不稳定,需综合测量电容器表面4个点的温度,再取平均值。

测量环境温度T_X:如图2-33所示,热电偶数放置在离铝壳表面20mm左右处,如果空间不足,则保持最小10mm距离,如果由于个部影响导致附近环境温度不均匀,不稳定,则需综合测量4个点以上的温度,再取平均值。

图2-33　环境温度与表面温度测量

4.电解电容寿命估算

本设计选择的电容为-40~105℃、5000h,1.655A纹波电流的高频低阻电解电容,最高实测环境温度T_X为80℃,壳体表面温度T_S为85℃,则其寿命估算如下步骤如下:

(1)估算实际内核温升:

ΔT_X=ΔT_O×(I_x/I_o)²=5×(1.64/1.655)²=4.9(℃)

其中,T_O为T_O时允许的内核温升,即额定纹电流时的电容器芯子温升,此次选择的105℃电容T_O为5℃,可查原厂或行业资料得到;T_X为实际内核温升;I_X为实际纹波电流1.64A;I_O为额定纹波电流1.655A。

(2)估算电容寿命

L_X=L_O××=5000×2^(105-80)/10×2^(5-4.9)/5=28678h=3.27(年)

其中,L_O为额定寿命5000h;T_O为最高额定工作环境温度105℃;T_X为实际环境温度80℃。

当由于环境因素影响,T_X不易获得时,可用T_S替代,这可以进一步提供安全余量保证产品寿命。