DCDC上的输出电容比较烫手

之前的文章中提到可能是纹波导致输出电容发热,经过这几天的学习和胡乱揣测,我现在感觉并不一定是纹波导致的、倒更像是“输出电容自谐振振铃”导致的发热。 个人感觉,输出纹波是与SW开关同频率的波形,也就是每一次SW将能量输送到输出端,这个“输出能量”会同时为负载供电、为输出电容充电,必然会有一个小小的电压升高。反之,当SW导通时,原边开始蓄能、此时的副边只能依靠输出电容进行能量的继续提供,因而电压必然会有一次短暂的跌落。 上述过程中,对于输出电容位置,就会随着SW开关的关闭、导通,形成电压的提升、跌落。这样形成的电压波动,是与SW开关频率相同的,是为“纹波”。由此可以看出来,输出电容的容量越大,纹波相对就会越小;反之,输出电容的容量越小、则纹波幅度就会越大。 这样在输出位置上的电压波形,也就会作用在负载上、作用在输出电容上: 对于后面的负载,这样的电压波动显然是有害的,暂且不论。而它作用在输出电容上,就会令输出电容的ESR产生功耗,从而发热,这一点应该也是显而易见且可以解释的。 然而我使用的输出电容高达820uF,并且ESR相对比较小——只有30-45mΩ左右。如此巨大的输出电容,按理来说纹波就会比较小、甚至可以认为输出是平缓的。然而实际上这颗820uF的输出电容发热还是非常严重的。 电容上不仅仅有寄生的ESR,还会有寄生的ESL,如此看上去似乎只有一颗C,事实上它的内部是一个完整的LCR串联结构。因为LC串联产生了谐振,从而导致除了纹波之外,还有“电容自谐振”现象。又因为这个“电容自谐振”有着如下两个特点: 1、它是在每一个SW开关周期内的开始时刻产生的,大约会震荡5-20次,因而其频率至少是SW频率的5-20倍;关键是它并非填满整个SW周期,只在SW开始时的1/10时间内产生,因而其频率是SW频率的50-200倍。如此推算,对于25kHz的SW频率,那么输出电容上的自谐振频率就可能高达750kHz-5GHz; 2、这个谐振会快速的(5次)消减、当然也可能相对慢一些(20次)的消减下去。无论快慢,它就是在每一次自己产生谐振之后就逐渐消减下去的,宏观上看是一个被“包络线”包裹的波形,因而也被称作“振铃波形”。这个振铃中最大的峰值出现在第1-3次上,其瞬时电压可能会远远超过预期的输出电压,因而其瞬时电流也就会非常非常的大; 我现在感觉输出电容之所以发热严重,恰恰就是这个振铃中的“第1-3次”产生的巨大电压和电流,作用在电容的ESR引起的。 虽然可以通过在输出电容旁边并联一些MLCC电容得到缓解,但是还没有很详尽的数据和实验来证实、并且量化效果。 好在我做的这个电路板,已经有了一个初步的形态,接下来只要时间、精力、财力允许,我想就可以继续在这个课题上多花一些时间进行钻研与学习了。 PS:以上提到的输出电容非常烫手,是在使用电子负载测试5V4A时的情况。实际上当前这块电源板在驱动树莓派时(单纯的只是将树莓派点亮、并没有跑太大的应用时),板子的温度还是比较低、手感感觉只有上面的变压器是温的,输出电容几乎没有温度。

电容选型备忘

以下是当前的选型和可能的问题: 位置 型号 尺寸 容值/耐压 ESR 单价 主边 RYHV100V68UF10*10 D10L10.5 68uF/100V 45mR ¥2.43 副边 HV0J827M0607PZ D6.3L7.7 820uF/6.3V 22mR ¥0.99 感觉这两个电容的ESR都太大了,重新考虑更换一下。主边电容我感觉应该是没有问题的,原因是主边电容存在的意义是“稳压”而不是“蓄能”(稳压方面则也分为电压跌落稳压和电压突升稳压,这里这颗电容更多的应该是稳定电压跌落)。从PSE设备输出的电压/电流,应该可以近似认为是“恒流的”,这是因为PSE设备是“大品牌”的产品,它们的输出能力不会太“拉跨”。当然,如果PSE的确是质量很差的,那么对于我而言,主边电容就要更甚重的进行选择、甚至是对主边的输入单元内各IC进行更多的优化,才能确保拥有干净平直的输入电压。 但我想把问题简化一下:姑且认为前面的PSE能够给我一个非常稳定的电压,那么我的主边电容就只担负着偶尔的稳压作用。甚至大胆一些的说,主边电容即使不存在,也是可以的。 之所以要做如上的假设和简化,是因为我想将现在的问题焦点更聚焦一些:当前遇到的问题就是输出电容、输出电压、尤其是输出电压上存在的纹波的问题。 上面是简化之后的示意图,按照上面提到的,C18现阶段认为是稳压电容,因而可有可无。对我而言真正的问题出现在C19这颗电容上:它的存在引起了纹波、且纹波巨大。 状态 型号 尺寸 容值/耐压…