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

现在采用一只AVX公司生产的90mF/12V bestcap？超级电容器作为整流滤波电容器，在与上面的例子相同的测试条件下，测得输出电压的纹波电压峰峰值为312mV，如图4所示。从纹波电压峰峰值可以看出一只90mF /12V bestcap？超级电容器作为滤波电容器的纹波电压峰峰值比两只16V/33000μF的铝电解电容器并联作为滤波电容器的纹波电压峰峰值少100mV，即采用一只90mF /12V bestcap？超级电容器作为滤波电容器比采用两只16V/33000μF的铝电解电容器并联作为滤波电容器的滤波效果好。

超级电容器作为整流滤波的效果并不像理想电容器那样使输出电压接近一条直线，而是有一些波动，原因是超级电容器有相对一般电容器大的ESR.一只90mF/12V bestcap？超级电容器的ESR约为90mΩ，滤波电容器上的充、放电的电流差约为输出电流平均值的2倍，因而在输出端出现约310mV的由于ESR的电压波动，即使如此，还是可以得到很低的纹波电压。

由此可见，一只90mF/12V bestcap超级电容器的滤波效果相当于一只56000μF电解电容器。同时由上述的参数可知，超级电容器的体积比铝电解电容器的体积小很多，故在低压整流滤波的应用中超级电容器将具有很大的性能优势、价格优势和体积优势。


图4 一只90mF/12V bestcap超级电容器的滤波效果

通过上述两个实验结果的对比可知，bestcap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。同时bestcap？超级电容器具有额定电压高、ESR低、阻抗频率特性好的特点，在今后的研究中，可以通过实验进一步了解。