开关电源电路中常见的元件器.docx

第X章 开关电源电路中常见的元件器X.1输入回路中常见的元件x.1.1压敏电阻x.1.2气体放电管x.1.3安规电容x.1.4瞬态抑制二极管TVSX.2开关电路中常见的元件x.2.1肖特基二极管x.2.2快恢复二极管X.3滤波电容x.3.1电解电容体现电解电容性能指标的参数很多，如表X所示在电解电容诸多重要参数中除了电类 技术人员容易理解的参数，如容量单位为pF）、耐压（单位为V）、工作温度范围、漏电流大 小、外形尺寸等参数外，还包含了损耗角正切DF、温度特性、频率因子、最大纹波电流等 其他需要一定专业知识才能理解的参数表X电解电容参数参数典型值备注参数典型值备注容量N1.F单位体积容量越大 越好DF0.08-0.45小好耐压6.3V-450V最大纹波电流大好漏电流尽可能小纹波电流-频率系数大好最高工作温度85 °C、105 °C尽可能高低温阻抗比小好寿命1000h以上尽可能长外形尺寸小好1.铝电解电容由于铝电容容量大，耐压高，是开关电源最主要的滤波电容元件之一1）损耗角正切DF对于电解电容来说，一般在120Hz频率下测量其DF，因此等效串联电感L的影响完全 可以忽略，根据损耗角正切定义DF=ESR = 2^f • ESR • C XC电解电容DF大小与材料、耐压、容量有关，一般在8%〜45%，即0.08〜0.45之间。

如表X所示表X某厂家某系列电解电容DF值（测试温度为20°C，测试频率为120Hz）额定工作电压（V）6.31016253550160〜450DF（最大值）0.260.220.180.160.140.120.15在开关电源电路中，尽量选择DF小的电容，尤其是输出回路中高频滤波电容（有时也成 为输出滤波电容）的DF要尽可能小，而市电整流后滤波用电解电容的DF大一点也问题不会 很大由于ESR=DF2兀企DF越小，意味着等效串联电阻ESR越小，通过相同纹波电流（有效值）引起的损耗就越 小，温升就越低这也意味着，在DF 一定情况下，滤波电容C容量不能太小，否则在相同输出电流下， 损耗会增加，引起效率下降；同时加剧电容内部温升，缩短电容的寿命2） 最大纹波电流由于ESR电阻的存在，这样当电容在滤波电路中不断重复充电-放电过程中，相当于其 交流分量（即纹波电流）流经电容时必然会使电容发热，使电容内部温度升高，而每一电容均 有特定的上限工作温度，如85C或105C所谓最大纹波电流的含义是在特定频率下，电容 温升不超过上限工作温度时允许流过的交流电流例如，耐压为400V容量为47MF的电解 电容，在120Hz频率下，最大纹波电流为0.42A。

在耐压相同情况下，容量越大，允许流过 的纹波电流也越大在选择滤波电容时，纹波电流必须小于允许的最大纹波电流，否则电容内部温度就可能 超过允许的工作温度3） 纹波电流频率系数（Multiplier for Ripple Current）生产厂家一般仅给出120Hz或100KHz频率下，电容允许通过的最大纹波电流有效值 并没有给出所有频率下，电容允许通过的最大纹波电流为此，提供了纹波电流频率系数参 数，如表X所示表X某厂家某系列电解电容纹波-频率修正系数频率（Hz）50(60)100(120)1K10KN100K系数0.250.500.800.901.00一般规律是，在最高工作频率上限范围内，频率越高，允许通过的纹波电流越大通过 该参数可以求出指定频率下的ESR由于功率P=I2 • ESR即 1220Hz ^ ESR120Hz = I2 ^ ESRf* ESR120HzI2即esr q=q0H f I2fIf* ESR120Hz假设 47p F/400V 电容 120Hz 频率下的 DF 为 0.15，则ESR = ?[ =4.230，则120田2兀企ESR100KHZ(4' 100KHz J\2X ESR120HZ(05 V ——x 4.23=1.06Q在计算输出纹波电压时，往往需要知道输出滤波电容在特定频率下的ESR值。

如果高频(如100KHz)下纹波电流系数越大，低频(如120Hz)下纹波电流系数越小，则高 频下等效串联电阻SER就越小，说明该电容更适合在高频下工作4)温度系数电解电容参数对温度较为敏感，尤其在低温状态下，容量会变小数倍因此，生产厂家 一般会提供不同温度下电容的阻抗比由于测试频率低，寄生电感的影响可忽略，而ESR 一般仅占10%〜20%，因此不同环境 温度下的阻抗比基本上体现了电容值的变化表X某厂家某系列电解电容不同温度下的阻抗比(测试频率为120Hz)额定工作电压(V)6.3101625355063100160〜250160〜250Z(-25C)/Z(20C)4322222236Z(-40C)/Z(20C)8643333348可见电解电容低温特性很差，例如对于耐压为50V的电解电容，若Z(-25°C)/Z(20°C)为 2,意味着在-25C环境温度下，容量只有20C环境温度下的一半此外，由表X也可以看出常温/低温阻抗与电容耐压值有关，16V以下及160V以上耐压 电容低温下阻抗更大(即低温下容量下降更加明显)正因如此，含电解电容开关电源需要在低温下，测试其启动、工作状态是否正常6)寿命普通铝电解电容寿命一般在1000〜3000小时，长寿命品种在3000〜8000小时，超长寿 命品种在8000〜12000小时。

电解电容在使用过程中，电解液会逐渐干枯，造成容量下降、损耗角正切DF增加、漏 电流增大当以上3个参数中，任何一个参数超出允许范围时，均认为电容处于失效状态影响铝电解电容寿命的主要因素是工作温度(环境温度与纹波电流引起的温升)，大致关 系如图X所示，其中横轴为环境温度，纵轴为实际纹波电流/额定纹波电流之比图X寿命与环境温度及纹波电流关系例如，对于在105°C环境下寿命为5000小时的电解，如果环境温度下降为75°C以内， 且纹波电流小于额定值，则寿命大约会延长8倍，即达到40000小时由环境温度与纹波电流在ESR电阻上发热引起的温升决定了电容的寿命，其经验值T, T ATL=Ld x 2 io x K-10其中Ld为直流工作电压下的使用寿命(即电容标称寿命)T0为电容工作温度上限值(单位为C)T为环境温度(单位为C)K为纹波电流加速因子，当纹波电流在允许范围内时，K取2；当纹波电流超出允许范围时，K取4AT为电容中心温升(单位为C)这意味着，环境温度每降低10C，电容寿命延长一倍；在纹波电流允许范围内，纹波电 流引起的温升，每升高10C，电容寿命缩短一半；在纹波电流允许范围外，纹波电流引起 的温升，每升高10C，电容寿命缩短为原来1/4。

而由纹波电流引起的中心温升5 I2 • ESRAT= A • H其中I为纹波电流有效值(A)，ESR为等效串联电阻(Q)； A为电容器的表面积(cm3)； H 为散热系数，约为1.5〜2.0X10-3对于最高工作为85C的电容来说，AT应控制在10C以 内；对于最高工作为105C的电容来说，AT应控制在5C以内实际上，电容器生产厂家 就是按该原则确定最高工作温度下的最大纹波电流例如，某尺寸电容在105C条件下，厂家注标的最大纹波电流为0.89A，则当纹波电流 为0.50A时，电容中心温升AT =xAT0x5=1.6C由于测量电容中心温度存在一定的困难，只能通过测量电容体表面温度推算其中心温 度，而两者之间存在较大的温差，大小与电容体直径有关，如表X所示电容体直径(mm)<1012.5 〜161822253035中心温升/表面温升1.11.21.251.31.41.61.65可见，直径越大的电容，散热效果越差因此，在开关电源中，有时会使用数只小直径 电容并联获得等量的大电容纹波电流引起的温升大小受环境温度限制，环境温度低，纹波电流温升可以大一点，如 表X所示表X环境温度、最大稳升及中心温度关系环境温度Ta(C)40556585105最大稳升AT (C)303025155中心温度(C)7085901001102. 钽电解电容与铝电解电容相比，钽电解电容单位体积容量大，DF小，但钽电解电容耐压偏低，过压击穿时容易引 起明火，因此在开关电源中，一般尽量避免使用钽电解电容。

3. 贴片电容贴片电容的介质多为陶瓷材料，根据陶瓷材料稳定性的不同，分为四类：COG（NPO， 即独石电容，稳定性很高、介质损耗小，但单位体积容量小，主要用在高频电路中，如晶体 振荡电路中）、X7R（稳定性高，介质损耗较小，容量较大，主要作开关电源、低频模拟、数 字电路的滤波或去耦电容，可替代体积较大的CBB电容）、Z5U及Y5V（稳定性较差，损耗 较大，但单位体积容量大，可替代低容量铝、钽电解电容）多层陶瓷贴片电容特性材质DF工作温度温度系数COG（NPO）W0.5%（5PF 以下）W0.15%（5PF 以下）-55 〜125 °C30 〜60ppm/CX7R<2.5%-55 〜125 °C15%Y5V<5.0%-25 〜85C60% 〜30%4.有机薄膜电容有机薄膜电容介质为有机薄膜材料，主要包括涤纶电容、聚丙烯电容（包括金属化聚丙 烯电容）、聚乙脂电容（包括金属化聚乙脂电容）聚酯电容、聚苯乙烯电容、聚碳酸酯电容 等，外形如图所示种类特点耐压（V）介质损耗（1KHz，25 C）绝缘电 阻用途聚乙脂电容50V-100V（偏 低）1%大容量较小，通用滤波、耦合金属化聚乙脂电容100-630V（中等）1%大容量较大，通用滤波、耦合。

聚酯（金属化）50V-630V0.8%大滤波聚丙烯电容250-630V（中等）0.1%（小）大高频电路中的滤波、耦合金属化聚丙烯电容100-630V（中等）0.1%（小）大容量大，稳定性好，寄生电 阻小，电流冲击特性好，可 做高频，如开关电源电路的 滤波、缓冲、耦合电容聚苯乙烯电容0.01%（很小）大容量小，稳定性好，是信息 处理滤波电路中的首选电 容X.4基准电压源。