[资料分享] 电源输入整流桥和滤波电容的计算与选取

输入整流桥的选择

 

1）整流桥的导通时间与选通特性

      50Hz交流电压经过全波整流后变成脉动直流电压u1，再通过输入滤波电容得到直流高压U1。在理想情况下，整流桥的导通角本应为180°（导通范围是从0°～180°），但由于滤波电容器C的作用，仅在接近交流峰值电压处的很短时间内，才有输入电流流经过整流桥对C充电。50Hz交流电的半周期为10ms，整流桥的导通时间tC≈3ms，其导通角仅为54°（导通范围是36°～90°）。因此，整流桥实际通过的是窄脉冲电流。桥式整流滤波电路的原理如图1(a)所示，整流滤波电压及整流电流的波形分别如图l(b)和(c)所示。

总结几点：

（1）整流桥的上述特性可等效成对应于输入电压频率的占空比大约为30％。

（2）整流二极管的一次导通过程，可视为一个“选通脉冲”，其脉冲重复频率就等于交流电网的频率（50Hz）。

（3）为降低开关电源中500kHz以下的传导噪声，有时用两只普通硅整流管（例如1N4007）与两只快恢复二极管（如FR106）组成整流桥，FRl06的反向恢复时间trr≈250ns。

2）整流桥的参数选择

       隔离式开关电源一般采用由整流管构成的整流桥，亦可直接选用成品整流桥，完成桥式整流。全波桥式整流器简称硅整流桥，它是将四只硅整流管接成桥路形式，再用塑料封装而成的半导体器件。它具有体积小、使用方便、各整流管的参数一致性好等优点，可广泛用于开关电源的整流电路。硅整流桥有4个引出端，其中交流输入端、直流输出端各两个。

       硅整流桥的最大整流电流平均值分0.5～40A等多种规格，最高反向工作电压有50～1000V等多种规格。小功率硅整流桥可直接焊在印刷板上，大、中功率硅整流桥则要用螺钉固定，并且需安装合适的散热器。

整流桥的主要参数有反向峰值电压URM（V），正向压降UF（V），平均整流电流Id（A），正向峰值浪涌电流IFSM（A），最大反向漏电流IR（μA）。整流桥的反向击穿电压URR应满足下式要求：

       举例说明，当交流输入电压范围是85～132V时，umax=132V，由式（1）计算出UBR=233.3V，可选耐压400V的成品整流桥。对于宽范围输入交流电压，umax=265V，同理求得UBR=468.4V，应选耐压600V的成品整流桥。需要指出，假如用4只硅整流管来构成整流桥，整流管的耐压值还应进一步提高。辟如可选1N4007（1A／1000V）、1N5408（3A／1000V）型塑封整流管。这是因为此类管子的价格低廉，且按照耐压值“宁高勿低”的原则，能提高整流桥的安全性与可靠性。

设输入有效值电流为IRMS，整流桥额定的有效值电流为IBR，应当使IBR≥2IRMS。计算IRMS的公式如下：

       式中，PO为开关电源的输出功率，η为电源效率，umin为交流输入电压的最小值，cosφ为开关电源的功率因数，允许cosφ=0.5～0.7。由于整流桥实际通过的不是正弦波电流，而是窄脉冲电流（参见图1），因此整流桥的平均整流电流Id<IRMS，一般可按Id=（0.6～0.7）IRMS来计算IAVG值。

例如，设计一个7．5V／2A（15W）开关电源，交流输入电压范围是85～265V，要求η=80％。将Po=15W、η=80％、umin=85V、cosψ=0.7一并代入（2）式得到，IRMS=0.32A，进而求出Id=0.65×IRMS=0.21A。实际选用1A／600V的整流桥，以留出一定余量。

 

输入滤波电容器的选择

 

1）输入滤波电容器容量的选择

      为降低整流滤波器的输出纹波，输入滤波电容器的容量CI必须选的合适。令每单位输出功率（W）所需输入滤波电容器容量（μF）的比例系数为k，当交流电压u=85～265V时，应取k=（2～3）μF／W；当交流电压u=230V（1±15％）时，应取k=1μF／W。输入滤波电容器容量的选择方法详见附表1，Po为开关电源的输出功率。

2）准确计算输入滤波电容器容量的方法

     输入滤波电容的容量是开关电源的一个重要参数。CI值选得过低，会使UImin值大大降低，而输入脉动电压UR却升高。但CI值取得过高，会增加电容器成本，而且对于提高UImin值和降低脉动电压的效果并不明显。下面介绍计算CI准确值的方法。

       设交流电压u的最小值为umin。u经过桥式整流和CI滤波，在u=umin情况下的输入电压波形如图2所示。该图是在Po=POM，f=50Hz、整流桥的导通时间tC=3ms、η=80％的情况下绘出的。由图可见，在直流高压的最小值UImin上还叠加一个幅度为UR的一次侧脉动电压，这是CI在充放电过程中形成的。欲获得CI的准确值，可按下式进行计算：

       举例说明，在宽范围电压输入时，umin=85V。取UImin=90V，f=50Hz，tC=3ms，假定Po=30W，η=80％，一并带入（3）式中求出CI=84.2μF，比例系数CI／PO=84.2μF／30W=2.8μF／W，这恰好在（2～3）μF／W允许的范围之内。

      开关电源决定一次侧滤波电容，主要影响电源的性能参数为输出低频交流纹波与保持时间。滤波电容越大，电容器上的Vin（min）越高，可以输出较大功率的电源，但相对价格也提高了。 

3）输入电解电容计算方法（举例说明）：

A. 因输出电压12V输出电流2A，故输出功率：

Pout=Vo*Io=12.0V*2A=24W

B. 设定变压器的转换效率约为80%，则输出功率为24W的电源其输入功率：

Pin=Pout/效率= 24W/80%=30W

C. 因输入最小交流电压为90VAC，则其直流输出电压为： 

Vin=90* √2=127Vdc 

故负载直流电流为：

I=Pin/Vin=30W/127VDC=0.236A

若电源的等级要求较高时，可考虑如下参数进行推算；因输入最小交流电压为90VAC，则其最低输出直流电压为：

Vin(min)=90*√2 -30(直流纹波电压)=97Vdc

故最大负载直流电流为：

IMAX=Pin/Vin（min）=30W/97VAC=0.309A

D. 设计允许30VPP的直流纹波电压 ，并且电容要维持电压的时间为半周期t，即半周期的工频率交流电压在约是8ms，

T=1/f=1/60=0.0167S=16.7 ms

则：

C=I*t/V=(0.236*8*10^3)/30≈62uF

62uF在常用电容47-82uF之间，因考虑成本问题，故实际选择电容量47uF。

E. 因最大输入交流电压为264Vac，则最高直流电压为：

V=264*√2=373VDC

实际选用通用型耐压400Vdc的电解电容，此电压等级，电容有95%的裕度。

F. 电容器的承受的纹波电流值决定电容器的温升，进而决定电容器的寿命。（电容器的最大纹波电流值与其体积，材质有关。体积越大散热越好耐受纹波电流值越高）故在选用电容器要考虑实际纹波电流值＜电容器的最大纹波电流值。

G. 开关源元器件温升一般较高，通常选用105℃电容器，在特殊情况无法克服温升时可选用125℃电容器。

故选用47uF，400v，105℃电解电容器可以满足要求（在实际使用时还考虑安装机构尺寸，体种大小，散热环境好坏等）。

本帖最后由 qwqwqw2088 于 2019-8-12 10:11 编辑