温度条件下电解电容器对开关电源电路的纹波噪声影响

朱 浩，王文兵

（1.陆军装备部驻南京地区军事代表局驻合肥地区军事代表室，安徽 合肥 230000；2.合肥同智机电控制技术有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

开关电源电路中电解电容器作为滤波器件进行充电和放电，影响输出电源的纹波电压。在设计开关电源电路时，经常只关注输出电容的容量，忽略了温度对输出电源纹波噪声的影响。实际工程应用中，除了考虑电容的容量因素，还需考虑不同温度工作条件下等效串联电阻和容量变化因素，尤其低温工作条件下，对输出电源纹波的影响[1]。

1 低温条件下铝电解电容引起输出电压的纹波噪声偏大

以Buck开关电源电路为例，将直流24 V电源变换为直流5 V，电源电路设计如图1所示。开关电源芯片Uo输出为一定开关频率的电压脉冲，经电感L1和电容C3滤波后输出稳定电源。开关电源电路的供电电压为直流24 V，输出电压为5 V，输出纹波为：

图1 Buck开关电源电路

式中，ΔU表示输出电压纹波，ΔI表示电感电流纹波，一般取输出电流的10%～20%，CO表示输出滤波电容，T表示开关周期。

通过分析，输出电压纹波与输出滤波电容成反比。在实际工程应用中，随着环境温度的变化，输出电源的纹波也会随着改变。在常温环境和低温-40 ℃环境下，分别测试开关电源电路输入电压和5 V电源电压，波形如图2和图3所示。通过对比，在输入电压相同，输出负载相同的条件下，低温环境下开关电源电路输出纹波比常温环境下的纹波增加780 mV，5 V纹波增加导致负载电路工作异常。一些工程项目5 V纹波超过500 mV，则会导致负载电路工作异常[2]。

图2 常温下开关电源电路输入电源和5 V电源波形

图3 低温-40 ℃下开关电源电路输入电源和5 V电源波形

2 铝电解电容在全温条件下输出电压纹波噪声情况

为了验证铝电解电容在开关电源电路中对输出电源电压纹波噪声的影响，在相同输入情况下，分别进行了空载和带载条件下，全温（-40～60 ℃）范围内试验数据的记录与分析。

2.1 空载条件下试验情况

在-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃以及60 ℃下，分别记录输出电压最大值、最小值以及纹波峰峰值，结果如表1所示，低温（-40 ℃）下的输出电压波形如图4所示。

图4 低温-40 ℃下5 V电源波形（空载、铝电解电容）

表1 空载时输出电压及电压纹波（铝电解电容）

由表1及图4分析可知，空载时，当温度由20 ℃逐渐升高至60 ℃时，输出电压纹波呈现减小趋势；当由20 ℃逐渐降低至-40 ℃时，输出电压纹波呈现增大趋势，输出电压纹波最大值为960 mV。综上，铝电解电容空载时，全温条件下输出电压纹波变化量为640 mV，纹波最大值为960 mV[3-5]。

2.2 带载条件下试验情况

在-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃以及60 ℃下，分别记录输出电压最大值、最小值以及纹波峰峰值，结果如表2所示，全温（-40～60 ℃）下的输出电压波形如图5所示。

表2 带载时输出电压及电压纹波（铝电解电容）

图5 全温-40～60 ℃下5 V电源波形（带载、铝电解电容）

由表2及图5可知，带载时，当温度由20 ℃逐渐升高至60 ℃时，输出电压纹波呈减小趋势；当由20 ℃逐渐降低至-40 ℃时，输出电压纹波呈现增大趋势，纹波最大值为1 680 mV。综上，铝电解电容带载时，全温条件下输出电压纹波变化量为1 000 mV，纹波最大值为1 680 mV。

3 钽电解电容在全温条件下输出电压纹波噪声情况

为了验证钽电解电容在开关电源电路中对输出电源电压纹波噪声的影响，在相同输入情况下，分别进行了空载和带载条件下，全温（-40～60 ℃）范围内试验数据的记录与分析。

3.1 空载条件下试验情况

在-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃一是60 ℃下，分别记录输出电压最大值、最小值、纹波峰峰值，结果如表3所示，全温（-40～60 ℃）下的输出电压波形如图6所示。

表3 空载时输出电压及电压纹波（钽电解电容）

图6 全温-40～60 ℃下5 V电源波形（空载、钽电解电容）

由表3及图6可知，空载时，当温度由20 ℃逐渐升高至60 ℃时，输出电压纹波呈现增大趋势，纹波达到了240 mV；当由20 ℃逐渐降至-20 ℃时，电压纹波达到最大值360 mV；当温度继续降低至-40 ℃时，输出电压纹波减小至240 mV。综上，钽电解电容空载时，全温条件下输出电压纹波变化量为120 mV，纹波最大值为360 mV。

3.2 带载条件下试验情况

在-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃以及60 ℃下，分别记录输出电压最大值、最小值、纹波峰峰值，结果如表4所示，全温（-40～60 ℃）下的输出电压波形如图7所示。

表4 带载时输出电压及电压纹波（钽电解电容）

图7 全温-40～60 ℃下5 V电源波形（带载、钽电解电容）

由表4及图7可知，带载时，当温度由20 ℃逐渐升高至60 ℃时，输出电压纹波呈现出增大趋势，纹波达到了280 mV；当温度由20 ℃逐渐降低至-40 ℃时，输出电压纹波呈现增大趋势。综上，钽电解电容带载时，全温条件下输出电压纹波变化量为320 mV，纹波最大值为560 mV。

4 固态电容在全温条件下输出电压纹波噪声情况

为了验证固态电容在开关电源电路中对输出电源电压纹波噪声的影响，在相同输入情况下，分别进行了空载和带载条件下，全温（-40～60 ℃）范围内试验数据的记录与分析。

4.1 空载条件下试验情况

在-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃以及60 ℃下，分别记录输出电压最大值、最小值、纹波峰峰值，结果如表5所示。全温（-40～60 ℃）下的输出电压波形如图8所示。

图8 全温-40～60 ℃下5 V电源波形（空载、固态电容）

表5 空载时输出电压及电压纹波（固态电容）

由表5及图8分析可得，在全温条件下，对固态电容而言，空载时，当温度由0～60 ℃时，输出电压纹波保持不变，纹波为160 mV；当温度降至-20 ℃时，输出电压纹波增大且达到最大值200 mV，当温度继续降低至-40 ℃时，输出电压纹波又恢复至160 mV。综上，空载时，全温条件下输出电压纹波变化量为40 mV，纹波最大值为200 mV，固态电容的性能比较稳定，受温度影响相对较小。

4.2 带载条件下试验情况

在-40 ℃、-20 ℃、0 ℃、20 ℃、40 ℃以及60 ℃下，分别记录输出电压最大值、最小值、纹波峰峰值，结果如表6所示。全温（-40～60 ℃）下的输出电压波形如图9所示。

表6 带载时输出电压及电压纹波（固态电容）

图9 全温-40～60 ℃下5 V电源波形（带载、固态电容）

由表6及图9分析可知，全温环境下，带载时，当温度由20 ℃逐渐升高至60 ℃时，固态电容的输出电压纹波呈现减小趋势，纹波最小值为160 mV；当温度由20 ℃降至0 ℃时，输出电压纹波由200 mV减小至170 mV；当温度继续降低至-40 ℃低温时，输出电压纹波增加至200 mV。综上，对固态电容而言，空载和带载时，全温环境下输出电压纹波变化量为80 mV，纹波最大值为240 mV。

5 结 论

通过相同电容值的铝电解电容、钽电解电容、固态电容3种电容器，在全温条件下对开关电源电路的纹波噪声影响的试验数据，对比分析可以得出以下结论。一是通过空载与带载试验数据分析，带载条件下输出纹波偏大，-40 ℃且带载条件下，铝电解电容输出电压纹波最大，为1 680 mV，固态电容输出纹波最小，为240 mV。二是在全温条件下，固态电容的输出电压纹波受温度变化影响较小，对纹波电压有较高要求的电路，采用固态电容作为输出滤波器件。