一、保持电容的定义与功能

保持电容，又称为保持时间电容、储能电容，是指用于在输入电源瞬时中断或电压跌落时维持输出电压不变的一类电容元件。它通常并联在电源模块的输入端，用于提供瞬时能量补偿。

主要功能包括：

1. 断电缓冲：确保断电期间供电系统有足够的电能维持输出，避免系统复位或掉电。

2. 容忍输入波动：抵抗市电闪断、电网不稳定等干扰，增强系统稳定性。

3. 支持冗余电源切换：在主电源与备用电源切换时提供临时供电，确保系统连续工作。

二、保持电容的应用背景

保持电容广泛应用于工业控制、通信设备、服务器电源、医疗设备、轨道交通等对电源连续性要求高的场景。例如：

• PLC系统：需要在短时掉电时保持运行状态，避免程序中断。

• 通信设备：确保电源转换期间不掉线。

• 电力系统：确保继电保护或监控电路在失电情况下有足够时间完成数据存储或告警。

三、保持电容的计算基础

保持电容的设计应以系统的保持时间需求为基础进行计算，其核心依据是能量守恒原理。

1. 能量守恒公式

电容释放能量公式：

$$E = \frac{1}{2} C \left( V_{\text{in}}^2 - V_{\text{min}}^2 \right)$$

其中：

• $C$：电容值（F）

• $V_{\text{in}}$：电容初始电压（通常为整流后的输入直流电压）

• $V_{\text{min}}$：电容放电到的最低电压，通常是DC-DC模块的欠压保护点

• $E$：维持系统运行所需能量（J）

同时，输出功率 $P_{\text{out}}$ 与保持时间 $t$ 的关系：

$$E = P_{\text{out}} \cdot t$$

将两个公式联立得：

$$C = \frac{2 \cdot P_{\text{out}} \cdot t}{V_{\text{in}}^2 - V_{\text{min}}^2}$$

2. 参数说明

• 输出功率 $P_{\text{out}}$：模块电源的输出功率，单位为瓦（W），即输出电压乘以负载电流。

• 保持时间 $t$：系统在掉电后所需维持的时间，通常为毫秒级。

• 输入电压范围：根据整流后电压决定最大充电电压，依据DC-DC模块的最小工作电压确定放电终止点。

四、计算案例解析

案例场景：

某通信设备需要在掉电后保持输出 12V/2A 电源供应，持续时间为 20ms。输入为市电整流后的 300V DC，DC-DC模块最小工作电压为 200V。

步骤一：计算输出功率

$$P_{\text{out}} = 12V \times 2A = 24W$$

步骤二：代入公式计算电容值

$$C = \frac{2 \times 24W \times 0.02s}{(300^2 - 200^2)} = \frac{0.96}{90000 - 40000} = \frac{0.96}{50000} = 19.2 \mu F$$

考虑冗余系数

实际应用中考虑电容老化、温度变化、纹波电流等因素，建议保留20%~30%的冗余：

$$C_{\text{实际}} \approx 25 \mu F$$

可选用 33μF/400V 的铝电解电容或使用多颗并联方式提高容量。

五、电容类型选择建议

1. 铝电解电容

• 优点：容量大、成本低

• 缺点：ESR高、寿命受温度影响较大

• 应用：大多数一般工业场合首选

2. 聚合物电容

• 优点：低ESR、响应快、寿命长

• 缺点：价格相对较高

• 应用：高可靠性设备、通信基站等

3. 薄膜电容

• 优点：高电压、高稳定性

• 缺点：体积大、不适合大容量

• 应用：轨交、电力等高压系统

4. 多电容并联

为优化ESR和ESL特性，工程中常将多颗电容并联使用，如两颗470μF/250V并联使用，既可满足容量要求，又降低热损耗和纹波。

六、电容选型注意事项

1. 耐压裕度：选用电容耐压应高于最高工作电压的20%~30%。

2. 寿命评估：关注制造商提供的寿命曲线，考虑105℃寿命与实际工作温度的对应关系。

3. 纹波电流能力：必须高于工作条件下最大输入纹波电流，否则容易发热或失效。

4. 体积限制：受限于模块结构尺寸，合理评估体积、电容值、散热能力。

5. 并联阻抗匹配：多个电容并联时应考虑阻抗匹配，防止电流不均。

七、常见问题与误区

• 误以为容量越大越好：过大的电容值可能造成浪涌电流过大，损坏整流器或保险丝。

• 忽视ESR和纹波电流参数：电容不仅需满足能量需求，还需承受输入电流中的高频纹波。

• 不考虑温度影响：高温加速电容老化，导致电容值下降，失去保持功能。

八、总结与工程建议

保持电容虽是模块电源中的辅助元件，但对系统的连续性、可靠性影响巨大。在设计过程中应：

• 依据保持时间、功率、电压范围进行科学计算；

• 选择合适类型的电容，平衡容量、体积与寿命；

• 综合考虑纹波能力、耐压裕度和热管理；

• 必要时采用并联结构以提高性能。

通过精确计算和合理选型，可以显著提升模块电源系统的稳定性和抗干扰能力，保障关键设备在突发断电情况下依然保持可靠运行。