咨询电话：0571-88640980
技术文章
TECHNOLOGY APPLICATION
云顶集团优惠活动大厅
电话：0571-88640980
Q Q：2885642309
邮箱：zhaozhongzdh@163.com
地址：浙江省杭州市余杭区中泰街道绿泰路5号A座5层(甲楠智创中心)
技术文章您当前的位置： 主页 > 云顶集团优惠活动大厅 > 技术文章
| 开关电源对电解电容器六大性能要求 |
| 发布时间:2019-11-20 18:30:59 | 浏览次数： |
电解电容器是开关电源中一次和二次回路滤波电路中最重要的器件之一。通常，电解电容器的等效电路可以认为是理想电容器与寄生电感、等效串联电阻的串联，如图1所示。
图1 电解电容器的等效电路 众所周知，开关电源是当今信息家电设备的主要电源，为电子设备小型轻便化作出不可磨灭的贡献。开关电源不断的小型化、轻量化和高效率，在电子设备中使用量越来越大，普及率越来越高。相应的就要求电解电容器小型大容量化，耐纹波电流，高频低阻抗化，高温度长寿命化和更适应高密度组装。 大容积、小体积 由于电解电容器多数采用卷绕结构，很容易扩大体积，因此单位体积电容量非常大，比其它电容大几倍到几十倍。但是大电容量的获取是以体积的扩大为代价的，现代开关电源要求越来越高的效率，越来越小的体积，因此，有必要寻求新的解决办法，来获得大电容量、小体积的电容器。 在开关电源的原边一旦采用有源滤波器电路，则铝电解电容器的使用环境变得比以前更为严酷： （1）高频脉冲电流主要是20 kHz~100kHz的脉动电流，而且大幅度增加； （2）变换器的主开关管发热，导致铝电解电容器的周围温度升高； （3）变换器多采用升压电路，因此要求耐高压的铝电解电容器。这样一来，利用以往技术制造的铝电解电容器，由于要吸收比以往更大的脉动电流，不得不选择大尺寸的电容器。结果，使电源的体积庞大，难以用于小型化的电子设备。为了解决这些难题，必须研究与开发一种新型的电解电容器，体积小、耐高压，并且允许流过大量高频脉冲电流。另外，这种电解电容器，在高温环境下工作，工作寿命还须比较长。 高温、长寿命化
在开关电源设计过程中，不可避免地要挑选适用的电容。就100μF以上的中、大容量产品来说，因为铝电解电容的价格便宜，所以，迄今使用的最为广泛。但是, 最近几年却发生了显著变化，避免使用铝电解电容的情况正在增加。 出现这种变化的一个原因是，铝电解电容的寿命往往会成为整个设备的薄弱环节。电源模块制造厂家的工程师表示：“对于铝电解电容这种寿命有限的元件，如果可以不用, 就尽量不要采用。”因为铝电解电容内部的电解液会蒸发或产生化学变化，导致静电容量减少或等效串联电阻(ESR)增大, 随着时间的推移，电容性能肯定会劣化。
图2 某铝电解电容器的寿命与温度、纹波电流的关系 高频低阻抗化 在开关电源输出端用的滤波电容，与工频电路中选用的滤波电容并不一样，在工频电路中用作滤波的普通电解电容器，其上的脉动电压频率仅有100Hz，充放电时间是毫秒数量级，为获得较小的脉动系数，需要的电容量高达数十万微法，因而一般低频用普通铝电解电容器制造目标是以提高电容量为主，电容器的电容量、损耗角正切值以及漏电流是鉴别其优劣的主要参数。在开关稳压电源中作为输出滤波用的电解电容器，由于大多数的开关电源工作在方波或矩形波的状态，含有及其丰富的高次谐波电压与电流，其上锯齿波电压的频率高达数十千赫，甚至数十兆赫，它的要求和低频应用时不同，电容量并不是主要指标，衡量它好坏的则是它的阻抗频率特性，如图3所示。
图3 某47μF/350V铝电解电容器的阻抗频率特性
由图可知，随着频率的升高，容抗下降、感抗上升，容抗等于感抗并相互抵消时的频率为铝电解电容器的谐振频率，这时的阻抗最低，仅剩下ESR。如果ESR为零，则这时的阻抗也为零；频率继续上升，感抗开始大于容抗，当感抗接近于ESR时，阻抗频率特性开始上升，呈感性，从这个频率开始以上的频率下电容器时间上就是一个电感。由于制造工艺的原因，电容量越大，寄生电感也越大，谐振频率也越低，电容器呈感性的频率也越低。这就要求它在开关稳压电源的工作频段内要有低的等效阻抗，同时，对于电源内部，由于半导体器件开始工作所产生高达数百千赫的尖峰噪声，亦能有良好的滤波作用，一般低频用普通电解电容器在10kHz左右，其阻抗便开始呈现感性，无法满足开关电源使用要求。 耐纹波电流 影响电解电容器性能的最主要的参数之一就是纹波电流问题。纹波电流对铝电解电容器的影响主要是在ESR上产生功耗使铝电解电容器发热，进而缩短使用寿命。 从特性曲线中（图2）可以看到，纹波电流在ESR上产生的损耗与纹波电流有效值的平方成正比，因而随着纹波电流的增加，小时寿命曲线类似于抛物线函数曲线。降低纹波电流的方法可以采用较大容量的铝电解电容器，毕竟大容量铝电解电容器可承受的纹波电流比小容量的铝电解电容器大；也可以采用多只小容量铝电解电容器的并联方式，还可以选用纹波电流低的电路拓扑结构。一般而言，反激式变换器产生的开关变换电流相对最大。表1是各种开关变换器电路拓扑的直流电流、整流滤波的纹波电流、开关变换电流和滤波电容上的总纹波电流。 表1 各种开关变换器电路拓扑的整流滤波的纹波电流和开关变换电流
就平板电视来说，为了能承受大电流，就需要进一步降低电容的ESR。其原因是，在数字设备中，随着功能的增加，电路的电流有越来越大的趋势。 对于在液晶电视中进行MPEG编解码工作的图像处理电路来说，2006年一块芯片中电源电路的电流约为3A。据有关人士预测称，为了应对全H D (全高清等要求而增大电路的规模以后，芯片中的电流将增加到5A 左右，而且在2008 年前后将会达到8A~9A。 如果ESR小，则在有大电流流动时，电容输出电压的下降量也小。伴随着电流增大而来的降低ESR的要求，有可能成为推进电容替换进程的主要原因。相对于铝电解电容将近1Ω的ESR来说，多层陶瓷电容的ESR很小，还不到10mΩ。导电性高分子电容的ESR通常为几十mΩ，ESR比较小的则在10mΩ以下。铝电解电容也在开发ESR比较小的品, 其ESR大约是一般产品的1/2~1/3。 高可靠性 开关电源是一种采用开关式控制的直流稳压电源，它以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于各种通信设备、家用电器、计算机及其终端设备。作为输入滤波和平滑作用的铝电解电容器，它的质量和可靠性直接影响到开关电源的可靠性。一旦铝电解电容器失效，就会导致开关稳压电源的故障。 开关稳压电源用铝电解电容器的失效模式有击穿失效、开路失效、漏液失效及电参数超差失效。其中击穿失效又分为介质击穿和热击穿，对于大功率和大电流输出的开关电源用电解电容器，热击穿失效常占一定比例；电腐蚀导致铝引出条断裂和电容器芯子干涸，使开关稳压电源用铝电解电容器开路失效的主要失效模式；漏液是开关稳压电源用铝电解电容器常见的失效模式，由于使用环境及工作状态较严酷，常发生漏液失效；开关稳压电源用铝电解电容器在使用中最常见的失效模式是电容量减少、漏电流增大及损耗角正切值增大。 总结 在电子线路中电解电容器是必不可少的，而且，随着电子设备的小型化，越来越要求电解电容器具有更好的频率特性、更低ESR、更低阻抗、 更低ESL，更高耐压性能、无铅化，这也是电解电容器今后的发展方向。 小型化、大容量化的电容器可以通过使用铌、钛等新型介电材料及结构方面的改进来达到。而低ESR、低ESL化可以通过新型电解质的开发优化工艺及构造来实现，同时产品将向更高的电压方向发展。 在发展日新月异的信息技术领域，电容器将始终是关键元件之一，我们将应用新技术、新材料不断地开发出顺应信息时代需求的高性能电容器。
责任编辑：本文转自“互联网收集”，浙江兆众自动化本着传播知识、有益学习和研究的目的进行的转载，为网友免费提供，并以尽力标明作者与出处，如有著作权人或出版方提出异议，本站将立即删除。如果您对文章转载有任何疑问请告之我们，以便我们及时纠正。联系方式：434826659@qq.com
|
| 上一篇 : 工业安全光幕技术确保人与机器的安全
下一篇 : 如何改善开关电源电路的EMI特性？ |
版权所有： Copyright © 2002-2022 云顶集团优惠活动大厅 保留所有版权 |
