赵修科老师倾情巨献-电容器选择

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1、,,,,,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,,,‹#›,1,开关电源中电容器的选择,南京航空航天大学自动化学院,,,赵 修 科,2005.6,2,一、,电容器的基本原理,,结构,：,电容器的基本结构是由两块导体极板，中间隔离有不同的电介质（绝缘体）组成。其符号如图（,b),所示。,充电：,当两个端子接到电源时，电源正极将相连极板电子吸走，留下正电荷；而负极向另一极板同时送人相等电子。在外电路形成电流

2、。直到极板电压等于极板两端电压。,3,定义,：,或,电容量与结构和介质有关：,,F,,＝ ,0,,r,A,－极板面积（,m,2,);,d,－极板间距离（,m),通常电容器名称是以介质材料来命名的,4,表,1,一些材料的相对介电常数,,材料,,ε,r,,,材料,,ε,r,,空气,1.0,橡胶,2.7,蒸馏水,8.0,云母,6~7.5,腊纸,4.3,玻璃,5.5~8,矿物油,2.2,陶瓷,5.8,尼龙,3.55,氧化铝,7.5~10,聚酯薄膜,3.1,导热硅脂,3.9~4.3,人造云母,5.2,聚四氟乙烯,1.8~2.2,,5,电容电路中电流,电容存储的能量,(J),电容电压不能突变,正弦

3、交流,(,u,=,U,m,sin,t,),电路中的电容,式中,6,二、电容器的主要参数,1.,,容量：,单位,－,F,，（,mF,），,,F,，,nF,，,pF,标称值,－和,电阻相同。按照公差等级决定序列。,如公差,10%,：,1.0,，,1.2,，,1.5,，,1.8,，,2.2,，,2.7,，,3.3,，,4.7,和,6.8,等，像,4.7,μ,F,，,0.047,μ,F,，,47pF,等等,误差等级,－,±1%,（,00,）级，,±2%(0),级，,±5%,（,Ⅰ,）级，,±10%,（,Ⅱ,）级和,±20%,（,Ⅲ,）级,容量标注在外壳上,，测试条件为,25,C,，,>1,μF,

4、测试频率为,120Hz,，,1,μF,>C>1nF,测试频率为,1kHz,7,2,.,电压定额,,电容器介质中的电场强度大于它的允许电场强度，这是绝缘介质中的电子被拉出来，产生雪崩效应，引起介质击穿。额定电压一般比击穿电压低,。,高电压定额的电容需要更厚的介质，比低电压体积大。,额定直流电压,：电容两极能施加的最高直流电压。,额定交流电压,：受损耗限制，一般比直流电压低得多。并随频率增加允许交流电压降低。,例如,：某电容直流额额定电压为,600V,，而,50Hz,交流额定电压为,30V,。某电容,50Hz,交流额定电压为,400V,，而在,400HZ,应用，额定电压降低为,240V,等。,通常

5、选择电容额定电压不得小于电容所承受电路最高电压的,125%,。,8,3,.,ESR,、,ESL,和损耗系数,电容等效电路：,C,，,ESR,，,ESL,和,R,S,ESR,：,引线、焊接和介质极化损耗。介质损耗与温度和频率有关。,ESL,：引线、电容极板结构有关。,R,S,：泄漏电阻，一般很大,损耗系数：容量,>1,F,，用,120Hz,；,< 1,F,,，用,1kHz,。,C,（,,F,）,，,DF,（％）,,9,各种电容引线结构典型,ESL,SMT,元件典型值在,2~8nH,。径向引线型电容在,10nH,～,30nH,，螺旋端子电容,20~50nH,，轴向引线型低于,200nH,。出

6、头位置和固有电感，,,10,4.,,纹波电流和,d,v,/d,t,定额,,电容温升是,ESR,损耗引起的。为了保证电容的寿命,,,电容规定了允许纹波电流值，而有些电容规定了电压变化率，即,dV/dt,,一般用,V/,μ,s,表示。决定此电容脉冲电流,(,C,d,V,/d,t),能力。,,电容损耗：,I,－,纹波电流有效值（,A,）,;,绝缘介质,决定了最高温度,T,m,，环境温度,T,a,决定温升,Δ,T,。而电容器的,体积,决定了散热面积，即决定了热阻，因此给定电容的允许损耗也就确定了。不同电容的,ESR,不同，各种电容允许的稳态电流有效值也不同。,超过电容的温升，将引起电容寿命大大缩短或爆

7、裂。,11,三、,电容类型和应用场合,3.1,极性电容－电解电容－,铝电解，钽电解和铌电解电容,1.,铝电解电容,－一般电解电容指铝电解电容,结构,：,纯铝阳极电极板一面电极，一面阳极化生成氧化铝介质，为了增加面积，增加电容量极板氧化成多孔结构。电解液与阴极电气相连。,工作寿命,：,ESR,增加,30%,，或电容量减少到,80%,判定电容寿命终止。,温度上限的工作时间为工作寿命。如,2k,小时，,5k,小时或,10k,小时等。,温度范围,：,－,25,℃,～,85℃,，－,40,℃,～,85℃,，－,55,℃,～,85℃,，－,40,℃,～,105℃,，－,55,℃,～,105℃,和－,55,

8、℃,～,125℃,等等,12,寿命降额,：,阿亨纽斯（,Arrhenius,）定律，容芯温度减少,10,℃,，寿命增加,1,倍。电压超过额定电压也要降额。但额定工作电压最大不应大于电容定额的电压。,ESR,与纹波电流：,电解电容的温升是,R,ESR,I,2,引起的。开关电源中输出纹波电压主要是,ESR,引起的。而,I,为纹波电流的有效值。,ESR,：,20kHz,以上，一般,ESR,与其容量的乘积为,R,ESR,C,＝,50~80×10,-6,(s),。,13,按开关电源允许输出纹波电压,Δ,U,pp,和纹波电流,Δ,I,（,Buck,类,LC,滤波通常为负载电流的,20%,）选择电容量。,例

9、,：,Buck,类,LC,滤波输出电流为,20A,,允许纹波纹波电压为,100mV,。,f=,50kHz,.,选择电解电容。,解,：纹波电流为,0.2,I,o,=0.2×20=4A,。因为,Δ,U,pp,＝,Δ,IR,ESR,＝,4×65×10,-6,/,C,,,则需要,C,＝,4×65×10,-6,/0.1=2600μF,。,如果不考虑,ESR,，按照此容量计算纹波电压为,Δ,U,pp,＝,Δ,IT/2C,＝,4×20×10,-6,/(2×2600×10,-6,）,=15.4mV,14,如果是反激类电感（反激变换器变压器，,Boost,，,Buck/Buck,，,Cuk,等电感）电容电流有很

10、大的峰值电流。除了按峰值电流选取电容,I,OFp,×R,ESR,＝,Δ,U,pp,外，还应检查电容交流有效值不应当超过限值。,如果电感电流是连续模式,(,I,a,－中值电流,),：,断续,(,I,p,－峰值电流,),：,15,使用,1.,,因为电容老化与温度紧密相关，多个电容安装在一起时，电容之间应当留有空隙，便于散热，电解电容不同外形尺寸的电容间距离为,φ40,以上,>,5mm,,φ,18,～,35,应,>3mm,，,φ,6,～,16,应,>2mm,；,2,.,,电容安装时尽量不要靠近功率器件和发热源；,3,.,,不要用有机洗涤剂清洗；,4,.,电路电压最高电压不超过耐压值的,1.2,倍；,

11、5.,,不能反极性,；,6,.,,,已安装在,PCB,上的电容不得强迫拉压或歪扭；,7,.,在电压允许的情况下，电容的＋－端尽可能靠近，减少引线电感。,16,2,、钽电容,钽电容比铝电容具有好得多的高频特性，但价格贵，而且电压限制在,100V,和容量数百,µF,以下，失效为常为短路极易着火。中功率电源输入最好选择铝电解电容，而输出低压采用贴片钽电容。当然贴片比插件的容量小而电压低。比铝电解电容更好的低温性能。,钽电解电容选择与铝电解电容相似。仍以输出纹波电压和,ESR,选择电容量。,17,3.2,无极性电容,1.,有机薄膜电容,介质,：薄膜电容有聚乙烯、聚酯（,CL,）、聚丙烯,(CB),、聚

12、四氟乙烯,(CF),、聚碳酸脂（,CLS,）等薄膜电容。精密、温度特性好、低漏电流。,类型：,1.,金属箔,/,膜电容,－金属箔作为电极。极低的,ESR,，可以承受很高的,dV/dt,和交流电流。体积大，价格高。容量小（低于,0.01,μ,F ),,2.,金属化电容,,－,喷涂在介质铝层作为电极。,ESR,大，较低的,dV/dt,和交流电流能力。体积小，价格低，有自愈能力。容量大。,18,使用：,相同容量金属箔常用于脉冲、交流高压、缓冲电路（,snubber,）和谐振电路。,金属化电容在局部击穿时产生高温，金属箔蒸发不会短路，电容量减少极小，这种现象就是所谓自愈能力，体积小，价格低。这类电容除

13、了一般应用以外，常用于电磁兼容的,X,电容和,Y,电容。,金属化聚碳酸酯膜介质,CLS,体积小，耐高温、温度系数小、绝缘电阻高、自愈性。常应用于逻辑控制电路、延时、积分、滤波、耦合和移相电路。,*金属化电容,不使用在,低电容，小于,0.01,,F,,谐振电路,,,,吸收电路,,,,低噪声,,。,壳温升不超过,15,°,C,，高温环境壳温不超过最高允许温度。,19,2.,无机介质电容,云母电容：,云母片为介质，浸银后形成电极。,电容量在数,pF,到,1,μ,F,；,电压定额在,50Vdc,到,2500V,-55,℃,～,150,℃,内电容量,漂移不超过,0.5%,,比有机介质箔电容更高的,dV

14、/dt,能力,体积较大，成本较高。适合于定时、缓冲电路和高频交流电路使用,。,20,陶瓷介质电容,,：,介质成分,是钛酸盐、铌镁酸铅等,,分类：,3,类,1,类：,高精度，,1pF,到几个,mF,；,1,类：高精度，,1pF,到几个,mF,；,2,类 ：,独石电容，和,1,类相同的壳体，容量是以上电容,20~70,倍，但在温度－,55℃,～,125℃,范围内变化大约,±10%,，最大变化为＋,15%,～－,25%,；,3,类,：电容容量是,2,类大约,5,倍，电容量随电压和温度变化较大。温度范围－,25℃,～,85℃,，电容变化大约＋,20%,～－,65%,21,使用,1,类,用于定时、谐振电

15、路和需要补偿温度效应的电路，也适合要求低损耗和高绝缘电阻的一般电路中使用。,在收音机、电视机、收录机等电子产品种要求容量稳定的交直流的脉冲电路中使用。在收音机、电视机、收录机等电子产品种要求容量稳定的交直流的脉冲电路中使用。,2,类电容量大，外形尺寸小。电路中用于隔直流、旁路耦合、滤波和对损耗和容量稳定性要求不高的场合。,,3,类,容量大，但要求不高的地方，价格低廉。,,22,四、开关电源中电容器,1,、 输入,EMC,滤波、整流和,PFC,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,C,1,C,2,C,3,C,4,C,

16、5,C,6,C,7,U,i,U,oHV,,,,,,,,C,8,220V,50Hz,,,A,B,,23,C,1,, C,4,－,EMC,差模（常模）滤波：,一般采用有机介质金属化交流电容。通常称为,X,电容。,C,2,, C,3,－,EMC,共模滤波：,一般称为,Y,电容。通常采用高压一类陶瓷电容，或高压金属化电容。要求较低的,ESR,。数值受安全泄漏电流,(<3mA),限制。,C,5,－,PFC,输入电容：,通常采用金属化电容，如,CBB,。保证,PFC,工作，输入整流电压为零附近有,1V,左右电压。减少输入电流过零失真,,,一般在,1~4,μ,F,。,C,6,, C,7,－缓冲（,Snubb

17、er,）电容：,一般采用金属箔,/,膜电容，具有很高的,dV/dt,能力，以及非常小的,ESR,和,ESL,。通常称为,snubber,电容。,C,8,－输出滤波电容：,铝电解电容，按纹波电压要求，根据峰值电流和电容的,ESR,选择容量，检查电容的纹波电流定额是否满足电路要求。,,24,2.,功率电路,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,C,11,C,9,C,9,, C,10,,－,Snubber,电容，要求极低,ESR,，一般按,dV/dt,能力选择电容。,,,,,,C,10,C,11,－输出滤波电容，电解电容，按纹波电压要求，根据纹波电流和电容

18、的,ESR,选择电容量。,U,oHV,U,o,,,,,,,,,,,,,,,,,辅助线圈,25,3.,辅助电路,C,12,－工频滤波，电解电容电容，按,RC,＝,(3~5)T/2,选择电容量；,C,13,－电解电容。按控制芯片欠压保护回差,Δ,U,UN,＝,IT,/,C,选择电容量。,I,－控制电路输入电流；,T,－功率电路启动时间。,C,14,－定时电容。薄膜电容或云母电容等精密电容。,C,15,C,16,－去耦电容。一般用途，,3,类陶瓷及任何电容。,来自辅助线圈,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,C,12,C,13,C,14,C,T,C,15,,控制,IC,驱动,,,,,,C,16,A,B,,26,,谢谢！,27,欢迎您到南京航空航天大学来,