基于开关电源的整流滤波中超级电容器的理论分析

本文将超级电容器用于整流滤波，并进行设计和具体实现，测试证明，超级电容器可以用于电源输出端的整流滤波，而且其滤波效果俱佳。其与电解电容器相比，具有其很大的优势。

滤波电容器在整流滤波电路中起着重要作用，电容量越大滤波效果越好。特别是在低压整流（如5V、3.3V甚至更低的电压）输出时往往因为滤波电容器的电容量不够大而产生较大的纹波电压。通过测试表明，整流滤波电路输出1A电流时，分别采用1000、2200、3300、4700和10000微法的滤波电容器，纹波电压的峰峰值分别为：6V、2.8V、1.9V、1.1V和0.6V.如果采用更大的滤波电容器，滤波效果将会更好。问题是大容量电容器体积大。怎样解决这个问题呢？人们立刻想到能否将超级电容器用于整流滤波，本文将通过理论分析和试验给予详尽的分析和试验结果。

整流滤波对于电容器的基本要求

在开关电源中，输出整流滤波对于电容器而言有四点基本要求，它们分别是：有足够的电容量、符合要求的额定电压、符合要求的ESR（等效串联电阻）和可以承受相应的纹波电流值。只有同时满足这四点基本要求，超级电容器才可以用于开关电源的输出整流滤波。



图1 阻抗频率特性 图2 超级电容器作为整流滤波电容器

超级电容器作为整流滤波电容器的可能性

对于超级电容器而言，它可以轻而易举的达到法拉级电容量，故超级电容器是有足够的电容量作为整流滤波。以前超级电容器的额定电压比较低，虽然可以通过多只串联的方式解决，但是多只串联后将导致ESR的增大，从而增加了ESR的问题。而超级电容器不能用于输出端的整流滤波的主要原因是：在开关电源的输出端整流滤波时，要求滤波电容器有尽可能低的ESR，而以前的超级电容器多只串联后的ESR很大，这使得超级电容器在用于输出整流滤波时会发热。例如：5个4.7F的超级电容器串联使用时，其ESR大约为300mΩ，这时，若在超级电容器上流过2A输出电流时，功率为1.2W，这个功率将导致超级电容器严重发热。不过现在的超级电容器已经达到了很高的水平，例如AVX公司生产了一系列bestcap？超级电容器，它同时具有高额定电压与低ESR的特点，如：一只90mF/12V的bestcap？超级电容器的ESR约为90mΩ，这与300mΩ相比小很多。可见，bestcap？超级电容器的ESR远低于以前的超级电容器，从而可以同时解决额定电压与ESR的问题；余下的问题就是能否通过相应的纹波电流是否符合要求。选择适合的电容量时（例如选择每安培负载电流1000~10000μF），铝电解电容器基本上不存在不能承受纹波电流，而且其ESR比较低，所产生的效应基本上对铝电解电容器几乎没有影响。bestcap？超级电容器的ESR与铝电解电容器的差不多，而且其具有非常的好阻抗频率特性，故bestcap？超级电容器可以承受相应的纹波电流值。图1为bestcap？超级电容器的阻抗频率特性图。由此可见，bestcap？超级电容器适用于输出整流滤波。

超级电容器用于整流滤波

现以90mF/12V的超级电容器为例，其相关参数为额定电压12V，额定电容量90mF、ESR90mΩ、体积48×30×6.1mm，温度范围-40℃~+70℃。

用超级电容器作为整流滤波电容器

与一般的整流滤波电路一样，超级电容器用于整流滤波的电路和输出电流、流过滤波电容器的电流波形如图2，只不过滤波电容器换成了超级电容器。以前，由于超级电容器的额定电压很低（仅2.7V），需要数只超级电容器串联。对于9V输出的稳压电源（考虑市电电压的变化，整流输出电压约为10~12V），但现在只采用一只90mF/12V bestcap，超级电容器就可以实现9V输出的稳压电源的滤波。

测试结果对比

通过对采用两只插脚式16V/33000μF的铝电解电容器并联作为滤波电容器的整流滤波电路。在整流输出电压平均值为9V，负载电流2.2A时的整流输出纹波电压如图3，所使用的示波器为F105B数字示波表，选择A通道，AC耦合，时基5mS/div（每格5mS），通道设置100mV/div（每格100mV）。从图中可以看到纹波电压的峰峰值（ΔY）为412mV，充电与放电（电压波形的上升与下降）时间基本相同。通过工频变压器降压后的整流电路，由于工频变压器的漏感作用（抑制电流变化），使滤波电容器几乎工作在或者是充电、或者是放电的状态，与市电直接整流的状态不同。

测试结果表明整流输出滤波电容器选择10000μF/A（每安培输出电流用1万微法）的滤波电容时，输出电压的纹波电压的峰峰值约为510mV，与理论分析结果的600mV/A很接近。因此，对于低压整流滤波电路，为了获得低纹波电压将不得不采用非常大的滤波电容器，不仅体积大而且价格很高。


图3 两只16V/3300 铝电解电容器并联的整流输出