使用 DRV8718-Q1 EVM，我們可以測量大容量電容的效果示例。我們使用了占空比為 50% 的 PWM 信號以及 12V 電源、3Ω 負(fù)載與 470μH 電感器串聯(lián)，來仿真典型的直流電機(jī)電路。L/R 時間常數(shù)為 157 微秒，大約是 PWM 周期的三倍。

圖 3-1 顯示了大容量電容為 270μF 的情況。使用理想電容器的估算，我們可以預(yù)計由于 PWM 期間電容器的充電和放電，PVDD 會發(fā)生大約 80mV 的變化。在每次轉(zhuǎn)換期間忽略快速漂移，電壓斜坡確實具有大約 80mV 的振幅，如虛線光標(biāo)所示。

不過，圖 3-1 中 PVDD 的總變化約為 160mV，顯著高于按照理想電容估算預(yù)測的值。由于大容量電容器的非理想特性，每次轉(zhuǎn)換開始時電壓都會急劇漂移。電解電容器的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 可以解決這種快速電壓漂移。

PVDD 的變化主要由兩個部分組成：大容量電容充放電引起的電壓以及電容器的非理想等效串聯(lián)電阻 (ESR) 兩端的電壓。

實際電容器的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 是衡量其特性不理想情況的一個指標(biāo)。ESR 低的電容器通常較昂貴，但可以提供減少電壓紋波的優(yōu)勢。這是電源設(shè)計中的一個常見主題，例如，請參閱降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出紋波電壓 應(yīng)用手冊。

通過仿真，我們可以看到 ESR 為零的理想電容器的紋波是什么樣的，還可以通過添加串聯(lián)電阻表示 ESR 來對實際電容器進(jìn)行建模。

首先，讓我們看看電流在電容器中的流動方式，從而看看電壓在我們作為電容器一部分建模的 ESR 上是如何變化的。在 PWM 周期的“導(dǎo)通”部分期間，電容器充當(dāng)電機(jī)電流源，因此 ESR 上的壓降從存儲在電容器中的內(nèi)部理想 電壓中減去。因此，電容器上的電壓（包括 ESR）低于內(nèi)部存儲的電壓。在 PWM 周期的“關(guān)斷”部分期間，電容器充當(dāng)電流阱，為內(nèi)部電壓充電。在充電過程中，電容器兩端的電壓（包括 ESR）高于內(nèi)部存儲的電壓。電機(jī)和電容器電流如圖 3-2 所示。

在圖 3-3 中，TINA 仿真顯示了 MOSFET T1 的 PWM 引起的電壓變化，大容量電容為 270μF，零 ESR，對理想電容器建模。PVDD 上的電壓變化約為 100mV。圖 3-3 仿真在很大程度上符合理想的電容公式。

當(dāng)在圖 3-4 中為 50mΩ 的 ESR 建模時，電壓變化增加至大約 200mV，電壓紋波的形狀看起來更像真實的測量情況。

注意添加 ESR 如何使波形看起來更像實際結(jié)果。

圖 3-5 中顯示了另一個實際情況，其中通過添加一個 330μF 電容器與前一個情況中的 270μF 電容器并聯(lián)，大容量電容增加到了 600μF。前面給出的理想電容估算可以預(yù)測大約 36mV 的電壓變化。測量值大約為 57mV；因此，雖然通過增加更多大容量電容來降低電壓變化，但它并沒有像理想估算那樣降低。

圖 3-6 顯示了另一個示例，大容量電容降至 120μF。現(xiàn)在電壓紋波增加至接近 500mV，并且形狀主要由電容的充電和放電決定，而 ESR 的影響則不那么明顯。