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电容器与开关电源 陈某某 **_*士英街169号 121001 0416chenyongzhen@163.com 开关电源中的电容器 开关电源中大量应用的电容器： 第一类：电解电容器 主要用于输入整流滤波、输出整流滤 波、辅助电源的旁路等 第二类：薄膜电容器 主要用于耦合、缓冲、电源旁路、定 时、电源滤波器 第三类：陶瓷电容器 与薄膜电容器作用相似 电解电容器的分类 1. 铝电解电容器 主要用于工频整流滤波、开关电源输出整流滤 波、辅助电源的旁路。 2. 钽电解电容器 主要用于DC/DC变换器的电源输入旁路、 DC/DC变换器或高可靠电源的输出整流滤波、辅 助电源的旁路。 3. 聚合物电解电容器 高频开关电源的输出整流滤波、高电流变化率 负载的电源旁路 输入整流滤波电路对滤波电容器的要求 1. 平滑整流输出电压（整流滤波）； 2. 吸收工频纹波电流和逆变器的开关成份 电流； 3. 工频整流滤波需要滤波电容器具有很大 的电容量，在50Hz/220V输入电压时只能选 用铝电解电容器。 一、铝电解电容器 铝电解电容器是最早的电解电容器：1921 年出现液体铝电解电容器，1938年前后改 进为由多孔纸浸渍电糊的干式铝电解电容 器。 （一） 铝电解电容器参数 铝电解电容器电压参数 1、额定DC电压VR 额定DC电压VR是电容器在额定温度范围内 所允许的连续工作电压，它包括在电容器 两电极间的直流电压和脉动电压或连续脉 冲电压之和。 2、反向电压 绝大多数电解电容器不允许施加反向电 压，铝电解电容器的反向电压短时间内不 得超过1.5V，一般允许不超过0.8V。 U S = 1.15 ⋅U R 铝电解电容器电压参数 额定浪涌电压Vs 额定浪涌电压Vs是铝电解电容器在短时间内能承 受的电压值，其测试条件是：电容器工作在 25C，在不超过30秒，两次间隔不小于5分。IEC 384-4中规定的浪涌电压与额定电压的关系如下： UR＜315V时：US=1.15UR UR＞315V时：US=1.1UR 有些铝电解电容器（主要是大型铝电解电容器） 在外壳上也标注浪涌电压。一般的标注方法为： ×××VS， 铝电解电容器电压参数 瞬间过电压 ： 铝电解电容器一般能瞬间承受的极限过电 压。 接近于铝电解电容器的击穿电压 铝电解电容器的电压与漏电流特性 铝电解电容器的电容量 电容量的温度特性 铝电解电容器的电容量 电容量的频率特性 漏电流特性随温度增加 漏电流、CDE生产的450V/4700μF/85℃铝 电解电容器的漏电流与施加电压的关系 漏电流的电压、温度特性 25℃时漏电流仅仅是85℃时漏电流的不到 十分之一 额定电压下的漏电流大约是90%额定电压下 的漏电流的5倍。 漏电流特性随电压增加 CDE生产的450V/4700μF/85℃铝电解电容 器的漏电流与环境温度的关系 铝电解电容器的老炼 由于作为绝缘层的氧化铝介质的特殊性：氧化铝介质在 铝箔切割、铆接过程中受到的损伤或受电解液中的氯离 子的腐蚀而产生缺陷而产生的漏电流，需要通过施加直 流电压的（阳极氧化）方式加以修补，因此，即使已经 施加很长一段时间直流电压，仍会有一小的修补电流流 过。这个电流成为漏电流。 漏电流低意味着电解液中的氯离子极少，可以得到良好 的修补结果，也表明作为绝缘层的氧化铝介质是良好 的。电解液和铝箔中的铁、铜离子在铝电解电容器的电 极上施加电压后会产生原电池效应电流，需要较多的电 荷将其消耗掉，这就是一些铝电解电容器在初次加电后 需要较长时间“漏电流”才能降到正常值的原因。这种现 象也说明了铝电解电容器出厂前需要“老炼的必要性”。 铝电解电容器的赋能 铝电解电容器经过长时间无电压状态的存储后而 没有任何的应用时其电解液中的氯离子对氧化铝 介质膜的损伤最大，尤其温度很高的条件下进行 存储时，在这种情况下从氧化层到阳极没有漏电 流流过，氧化层就不能重新产生。结果就是当延 长存储后接入电压时，会产生一个高于正常值的 漏电流。然而，随着使用过程中氧化层的重新产 生，漏电流会逐渐降低至正常值。同时由于铁、 铜离子的原电池效应也逐渐恢复，这使得铝电解 电容器的漏电流将需要一个长时间的施加电压加 以恢复。这个过程称为老化或成为赋能。通常在 铝电解电容器使用前最好进行赋能。 损耗因数 电解电容器的损耗因数（Dissipation Factor，英文缩写：DF）可以理解为在交 流电流激励下，电解电容器的无功功率和 等效串联电阻（ESR）的有功功率分别 为： I2 ⋅ 1 = I2 ωC ωC 铝电解电容器的损耗因数与温度、 频率的关系 工作温度范围 由于铝电解电容器是电解液负极，随着温度的升 高将会达到电解液的沸点。因此，电解液的沸点 将是铝电解电容器不可逾越的最高工作与存储温 度。在实际应用中，最高工作温度要比电解液的 沸点低10~20K；同样，也是由于铝电解电容器的 负极是电解液，在温度过低时，电解液将变得粘 稠甚至凝固时铝电解电容器不能应用。因此，铝 电解电容器也有工作与存储温度的下限。在工作/ 存储温度上限与下限之间的整个温度范围就是铝 电解电容器的工作温度范围。 工作温度范围 对于比较低级的商业应用，铝电解电容器的最高 工作/存储温度和最低工作/存储温度为+85℃/20℃。如果对低温有特殊要求时，最低工作温度 可以达到-40℃；如果铝电解电容器的工作/存储 温度比较高，则需要105℃最高工作/存储温度的 铝电解电容器；当遇到更高的工作温度，如节能 灯或汽车发动机舱内的应用时，要求铝电解电容 器的最高工作/存储温度要达到125℃甚至是 150℃。 通过上述分析可以看到，铝电解电容器的最高工 作/存储温度可以分为：一般应用的+85℃，比较 高工作/存储温度的+105℃和非常高工作温度的 125℃甚至是140℃、150℃的五个最高工作/存储 温度。 寿命 同样是由于铝电解电容器的负极是电解 液，随着时间的推移，电解液会渐渐的干 涸，当电解液干涸到一定程度后，铝电解 电容器的实际的负极板有效面积将明显的 变小，电容量将开始明显降低；同时伴随 着ESR的明显升高，当电容量的减小， ESR的上升达到一定程度，铝电解电容器 将失去应用意义。这标志着铝电解电容器 寿命终了。 铝电解电容器的额定温度与寿命的 额定参数 综上所述，铝电解电容器的额定温度是该 铝电解电容器允许工作和存储的最高温 度，根据工作环境温度要求通常可分为 85℃、105℃、125℃和140℃四个温度等 级。并且在各温度等级下的寿命小时数， 如1000小时、2000小时、3000小时、4000 小时、5000小时、8000小时、10000小时 甚至更高 。 等效串联电阻 电解电容器的等效串联电阻（ESR）。其 中，电解液的电阻是铝电解电容器等效串 联电阻（ESR）的主要部分。 对于一般应用的铝电解电容器，多数铝电 解电容器生产厂商是不给出ESR数据的， 对于开关电源用的低ESR铝电解电容器或 电容量比较大的插脚式铝电解电容器则给 出这个数据。 等效串联电阻 多数铝电解电容器生产厂商是不给出ESR 数据的主要原因主要是：相对于其它介质 的电容器，铝电解电容器的ESR显得太 大。如1μF/16V的普通铝电解电容器，其 ESR一般在20Ω左右；100μF的铝电解电 容器，其ESR也是在1.5~2Ω之间。 试想，这样的数据写在数据手册里肯定会 影响应用者的应用铝电解电容器的信心。 因此，在某种以上说，应用铝电解电容器 是一种无奈的选择。会影响铝电解电容器 的应用。 铝电解电容器的阻抗频率特性 铝电解电容器的阻抗频率特性 图中的每一条曲线的最低值即可认为是ESR值， 从图中可以看出，100μF/63V铝电解电容器在40℃时的ESR接近1.5Ω，-25℃时下降到0.5Ω， 0℃时下降到0.1Ω，室温+25℃时为0.05Ω而在 +85℃的最高工作温度下的ESR最低，为 0.04Ω；47μF/350V铝电解电容器在-40℃时的 ESR接近6Ω，-25℃时下降到3Ω， 0℃时下降到 1.2Ω，室温+20℃时为0.4Ω而在+85℃的最高工 作温度下的ESR最低，为0.06Ω。可以看到， ESR从25℃到高温限下降35%到50%，但在低温 时ESR增加非常明显，从0℃到-40℃ESR增加约 一个数量级。如果从最高工作温度到最低工作温 度，则ESR增加50~100倍。 ESR的热效应与铝电解电容器的热阻 纹波电流流过铝电解电容器的ESR将产生 p=i2*RESR的功率损耗而导致铝电解电容 器的发热。相对电力半导体器件，铝电解 电容器的散热能力非常差。所以，稍有功 耗铝电解电容器内部温度将明显升高，从 而降低了铝电解电容器的使用寿命。因 此，除了要清楚铝电解电容器的ESR在电 路运行中的影响外，还要关注铝电解电容 器的散热能力问题，即热阻。 插脚式铝电解电容器的热阻实例 风速0.5m/s 风速1.0m/s 风速2.0m/s 风速3.0m/s 风速4.0m/s 风速5.0m/s 外 ℃/W ℃/W ℃/W ℃/W ℃/W ℃/W D×L 壳 代 码 壳到 环境 Rthca 芯包 到 环境 Rth 壳到 环境 Rthca 芯包 到 环境 Rth 壳到 环境 Rthca 芯包 到 环境 Rth 壳到 环境 Rthca 芯包 到 环境 Rth 壳到 环境 Rthca 芯包 到 环境 Rth 壳到 环境 Rthca 芯包 到 环境 Rth 22×25 AB 24.3 25.1 19.1 20.0 14.8 15.7 13.2 14.1 11.4 12.3 10.3 11.1 22×30 AC 21.3 22.5 16.8 18.0 13.2 14.4 11.7 12.9 10.2 11.4 9.2 10.4 22×35 AD 19.1 20.5 15.1 16.6 11.9 13.4 10.7 12.1 9.4 10.8 8.5 9.9 22×40 AE 17.4 19.0 13.9 15.5 11.0 12.7 9.9 11.5 8.7 10.4 7.9 9.5 22×45 AF 16.1 17.6 12.9 14.4 10.4 11.8 9.3 10.8 8.3 9.7 7.5 9.0 22×50 AG 15.1 16.8 12.2 14.0 9.8 11.6 8.9 10.5 7.9 9.7 7.2 9.0 25×25 BB 21.9 22.8 17.2 18.1 13.4 14.3 11.8 12.6 10.2 11.1 9.2 10.0 25×30 BC 19.3 20.2 15.3 16.1 12.0 12.8 10.5 11.3 9.2 10.0 8.2 9.1 25×35 BD 17.2 18.2 13.7 14.7 10.8 11.8 9.6 10.6 8.4 9.4 7.6 8.6 25×40 BE 15.8 16.9 12.6 13.7 10.0 11.2 8.9 10.0 7.8 8.9 7.1 8.2 25×45 BF 14.7 16.2 11.8 13.3 9.4 10.9 8.4 9.9 7.4 8.9 6.8 8.3 25×50 CG 13.7 15.2 11.1 12.6 8.9 10.5 8.0 9.5 7.1 8.6 6.5 8.0 铝电解电容器热阻 从上面分析可以看到不同的铝电解电容器厂商生 产的产品，外形相同或相近的外壳的外壳到环境 的热阻基本相同，而芯包到外壳的热阻则大相径 庭。如果仅仅从品质角度考虑，铝电解电容器的 芯包到外壳的热阻反映了铝电解电容器的应用品 质。 全球众多铝电解电容器生产厂商中，能过给出其 生产的铝电解电容器的热阻很少。有的是没有这 方面的数据（如国内众多铝电解电容器生产厂 家），而有的则是技术保密的需要，当然也有感 到自己生产的铝电解电容器的热阻值太大，过于 羞涩，公布出去有伤大雅。 额定纹波电流 交流纹波电流流过铝电解电容器，将在其ESR上 产生损耗而使铝电解电容器发热，这个发热的限 度对纹波电流的限制就是额定纹波电流值。其定 义为在最高工作温度下可以确保铝电解电容器额 定寿命时间的最大纹波电流值。对于一般应用的 铝电解电容器，多数铝电解电容器生产厂商是不 给出额定纹波电流数据的，对于开关电源用的低 ESR铝电解电容器或电容量比较大的插脚式铝电 解电容器则给出这个数据。 实际上铝电解电容器可以承受的纹波电流也是比 较低的，对于普通用途的铝电解电容器可以承受 的纹波电流值的第一感觉就是太低了。 表4.16.1 国产CD110型铝电解电容器的ESR、纹波电流 额定 电压 6.3 10 16 25 35 50 （V ） 63 100 160 200 250 315 350 400 450 C μF mA mA mA mA mA mA mA mA mA mA mA mA mA mA mA 1 21 21 21 22 22 22 22 22 22 25 2.2 31 31 30 32 32 32 38 38 38 43 3.3 38 38 40 40 40 48 53 53 54 59 4.7 38 45 45 45 48 56 56 65 65 71 76 10 50 55 40 66 66 75 81 94 101 115 115 123 123 22 75 82 59 98 100 130 151 170 182 182 197 197 226 33 92 100 87 126 140 180 202 223 243 277 277 277 304 47 99 110 118 107 155 170 230 260 265 295 330 330 361 380 100 146 160 199 130 260 300 370 422 483 528 567 507 额定电压 （V） 6.3 10 16 25 35 50 63 100 160 200 C μF mA mA mA mA mA mA mA mA mA mA 220 330 470 1000 2200 3300 4700 6800 10000 15000 200 240 264 349 214 443 470 620 783 882 270 290 383 510 443 595 710 760 1080 332 417 457 545 542 887 900 1000 546 650 791 996 664 1400 1300 1380 1010 1080 1350 1660 1210 2340 1230 1430 1690 2030 2510 2810 1710 1780 2100 2650 2990 1930 2220 2580 3290 2450 2700 3130 2860 3100 22000 3340 国产低阻抗、高纹波电流引线式铝电解电容器的ESR与纹波电流 C μF 33 47 100 220 330 470 1000 2200 3300 4700 6800 10000 15000 6.3（V） ESR(Ω) (mA) 2.5 105 1.5 120 1.2 130 0.87 180 0.58 220 0.39 315 0.23 500 0.095 1000 0.090 1050 0.061 1670 0.056 1740 0.045 2110 0.036 2580 10（V） ESR(Ω) (mA) 1.9 105 1.5 120 1.2 130 0.58 220 0.47 265 0.39 315 0.18 615 0.090 1050 0.068 1300 0.056 1740 0.045 2110 0.036 2580 16（V） ESR (Ω) (mA) 1.5 120 1.2 130 0.58 220 0.47 290 0.39 315 0.23 500 0.12 825 0.068 1300 0.056 1740 0.045 2110 0.036 2580 25（V） ESR(Ω) (mA) 1.5 120 1.2 130 0.58 220 0.39 315 0.23 500 0.18 615 0.090 1050 0.056 1740 0.045 2110 0.036 2580 C 35（V） 50（V） 63（V） 100（V） μF ESR(Ω) (mA) ESR(Ω) (mA) ESR(Ω) (mA) ESR(Ω) (mA) 10 1.8 105 2.7 100 3.6 95 3.3 22 1.5 120 1.9 125 2.1 130 1.4 33 1.5 130 1.1 195 1.7 160 0.94 47 0.58 220 0.90 245 1.2 305 0.68 100 0.39 315 0.50 385 0.65 395 0.28 220 0.23 500 0.27 505 0.32 505 0.16 330 0.18 615 0.18 675 0.22 660 0.13 470 0.12 825 0.12 895 0.16 850 0.11 1000 0.068 1300 0.076 1495 0.098 1430 110 165 305 320 585 1120 1290 1350 2200 0.045 2110 0.050 2190 3300 0.036 2580 某型号国产插脚式铝电解电容器 额定电压 （V） 160 200 250 315 350 400 450 电容量 A A A A A A A 33（μf） 0.25 39 0.27 0.28 47 0.28 0.31 0.31 56 0.32 0.34 0.36 68 0.39 0.32 0.34 0.38 0.38 82 0.45 0.40 0.46 0.44 100 0.51 0.48 0.38 0.45 0.53 0.50 120 0.53 0.53 0.52 0.48 0.52 0.55 0.58 150 0.57 0.55 0.56 0.56 0.59 0.63 0.66 180 0.60 0.57 0.64 0.63 0.68 0.72 0.74 220 0.63 0.70 0.76 0.72 0.78 0.79 0.88 额定电 压 35 50 63 80 100 160 200 250 315 350 400 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 、输出电流0.12A。 在DC/DC变换器的电源输入端分别并联100μF铝电 解电容器、33μF钽电解电容器和2.2μF陶瓷电容 器。在DC/DC变换器的输入端测试纹波电压与纹波 电流，其结果为： 电容器种 类 铝电解电 容器 电容量/额 定电压 纹波电压 峰-峰 值 mVP-P 100μF/25 106 V 纹波电流 峰-峰 值mAP- P 纹波电流 有效值 mArms 封装 486 154 D 钽电解电 33μF/16V 96 容器 486 144 XXXXX6.3×L1 5 陶瓷电容 2.2μF/16 104 486 146 1206 器 V 大电容量的陶瓷电容器对瞬变负载所造 成的电源电压瞬变有很好的抑制作用 测试电路 结论 在开关电源电路中，选用不同的电容器会得 到不同的电路性能结果，为了使开关电源电 路在成本和性能上达到最佳，应选择合适的 电容器或电容器的组合。 更详尽的叙述见08年低科学出 版社出版的“电容器手册” 谢谢！ 让我们继续努力！ 0416chenyongzhen@163.com *** [文章尾部最后500字内容到此结束,中间部分内容请查看底下的图片预览]请点击下方选择您需要的文档下载。

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