zhaoxiuke電容設計課件

開關電源中電容器的選擇南京航空航天大學自動化學院

趙修科2005.61可整理ppt一、電容器的基本原理結構：電容器的基本結構是由兩塊導體極板，中間隔離有不同的電介質（絕緣體）組成。其符號如圖（b)所示。充電：當兩個端子接到電源時，電源正極將相連極板電子吸走，留下正電荷；而負極向另一極板同時送人相等電子。在外電路形成電流。直到極板電壓等于極板兩端電壓。2可整理ppt定義：或電容量與結構和介質有關：

F＝0

rA－極板面積（m2);d－極板間距離（m)通常電容器名稱是以介質材料來命名的3可整理ppt表1一些材料的相對介電常數(shù)

材料

εr

材料

εr

空氣 1.0 橡膠 2.7 蒸餾水 8.0 云母 6~7.5 臘紙 4.3 玻璃 5.5~8 礦物油 2.2 陶瓷5.8 尼龍 3.55 氧化鋁 7.5~10 聚酯薄膜 3.1導熱硅脂 3.9~4.3 人造云母 5.2聚四氟乙烯 1.8~2.2 4可整理ppt電容電路中電流電容存儲的能量(J)電容電壓不能突變正弦交流(u=Umsint)電路中的電容式中5可整理ppt二、電容器的主要參數(shù)1.容量：單位－F，（mF），F(xiàn)，nF，pF標稱值－和電阻相同。按照公差等級決定序列。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4.7μF，0.047μF，47pF等等誤差等級－±1%（00）級，±2%(0)級，±5%（Ⅰ）級，±10%（Ⅱ）級和±20%（Ⅲ）級容量標注在外殼上，測試條件為25C，>1μF測試頻率為120Hz，1μF>C>1nF測試頻率為1kHz6可整理ppt2.電壓定額電容器介質中的電場強度大于它的允許電場強度，這是絕緣介質中的電子被拉出來，產(chǎn)生雪崩效應，引起介質擊穿。額定電壓一般比擊穿電壓低。高電壓定額的電容需要更厚的介質，比低電壓體積大。額定直流電壓：電容兩極能施加的最高直流電壓。額定交流電壓：受損耗限制，一般比直流電壓低得多。并隨頻率增加允許交流電壓降低。例如：某電容直流額額定電壓為600V，而50Hz交流額定電壓為30V。某電容50Hz交流額定電壓為400V，而在400HZ應用，額定電壓降低為240V等。通常選擇電容額定電壓不得小于電容所承受電路最高電壓的125%。7可整理ppt3.ESR、ESL和損耗系數(shù)電容等效電路：C，ESR，ESL和RSESR：引線、焊接和介質極化損耗。介質損耗與溫度和頻率有關。ESL：引線、電容極板結構有關。RS：泄漏電阻，一般很大損耗系數(shù)：容量>1F，用120Hz；<1F，用1kHz。C（

F），DF（％）8可整理ppt各種電容引線結構典型ESLSMT元件典型值在2~8nH。徑向引線型電容在10nH～30nH，螺旋端子電容20~50nH，軸向引線型低于200nH。出頭位置和固有電感，9可整理ppt4.

紋波電流和dv/dt定額

電容溫升是ESR損耗引起的。為了保證電容的壽命,電容規(guī)定了允許紋波電流值，而有些電容規(guī)定了電壓變化率，即dV/dt,一般用V/μs表示。決定此電容脈沖電流(CdV/dt)能力。

電容損耗：I－紋波電流有效值（A）;絕緣介質決定了最高溫度Tm，環(huán)境溫度Ta決定溫升ΔT。而電容器的體積決定了散熱面積，即決定了熱阻，因此給定電容的允許損耗也就確定了。不同電容的ESR不同，各種電容允許的穩(wěn)態(tài)電流有效值也不同。超過電容的溫升，將引起電容壽命大大縮短或爆裂。10可整理ppt三、電容類型和應用場合3.1極性電容－電解電容－鋁電解，鉭電解和鈮電解電容1.鋁電解電容－一般電解電容指鋁電解電容結構：純鋁陽極電極板一面電極，一面陽極化生成氧化鋁介質，為了增加面積，增加電容量極板氧化成多孔結構。電解液與陰極電氣相連。工作壽命：ESR增加30%，或電容量減少到80%判定電容壽命終止。溫度上限的工作時間為工作壽命。如2k小時，5k小時或10k小時等。溫度范圍：－25℃～85℃，－40℃～85℃，－55℃～85℃，－40℃～105℃，－55℃～105℃和－55℃～125℃等等11可整理ppt壽命降額：阿亨紐斯（Arrhenius）定律，容芯溫度減少10℃，壽命增加1倍。電壓超過額定電壓也要降額。但額定工作電壓最大不應大于電容定額的電壓。ESR與紋波電流：電解電容的溫升是RESRI2引起的。開關電源中輸出紋波電壓主要是ESR引起的。而I為紋波電流的有效值。ESR：20kHz以上，一般ESR與其容量的乘積為RESRC＝50~80×10-6(s)。12可整理ppt按開關電源允許輸出紋波電壓ΔUpp和紋波電流ΔI（Buck類LC濾波通常為負載電流的20%）選擇電容量。例：Buck類LC濾波輸出電流為20A,允許紋波紋波電壓為100mV。f=50kHz.選擇電解電容。解：紋波電流為0.2Io=0.2×20=4A。因為ΔUpp＝ΔIRESR＝4×65×10-6/C,則需要C＝4×65×10-6/0.1=2600μF。如果不考慮ESR，按照此容量計算紋波電壓為ΔUpp＝ΔIT/2C＝4×20×10-6/(2×2600×10-6）=15.4mV13可整理ppt如果是反激類電感（反激變換器變壓器，Boost，Buck/Buck，Cuk等電感）電容電流有很大的峰值電流。除了按峰值電流選取電容IOFp×RESR＝ΔUpp外，還應檢查電容交流有效值不應當超過限值。如果電感電流是連續(xù)模式(Ia－中值電流)：斷續(xù)(Ip－峰值電流)：14可整理ppt使用1.

因為電容老化與溫度緊密相關，多個電容安裝在一起時，電容之間應當留有空隙，便于散熱，電解電容不同外形尺寸的電容間距離為φ40以上>5mm,φ18～35應>3mm，φ6～16應>2mm；2.

電容安裝時盡量不要靠近功率器件和發(fā)熱源；3.

不要用有機洗滌劑清洗；4.電路電壓最高電壓不超過耐壓值的1.2倍；5.

不能反極性；6.

已安裝在PCB上的電容不得強迫拉壓或歪扭；7.在電壓允許的情況下，電容的＋－端盡可能靠近，減少引線電感。15可整理ppt2、鉭電容鉭電容比鋁電容具有好得多的高頻特性，但價格貴，而且電壓限制在100V和容量數(shù)百μF以下，失效為常為短路極易著火。中功率電源輸入最好選擇鋁電解電容，而輸出低壓采用貼片鉭電容。當然貼片比插件的容量小而電壓低。比鋁電解電容更好的低溫性能。鉭電解電容選擇與鋁電解電容相似。仍以輸出紋波電壓和ESR選擇電容量。16可整理ppt3.2無極性電容1.有機薄膜電容介質：薄膜電容有聚乙烯、聚酯（CL）、聚丙烯(CB)、聚四氟乙烯(CF)、聚碳酸脂（CLS）等薄膜電容。精密、溫度特性好、低漏電流。類型：1.金屬箔/膜電容－金屬箔作為電極。極低的ESR，可以承受很高的dV/dt和交流電流。體積大，價格高。容量小（低于0.01μF)

2.金屬化電容

－噴涂在介質鋁層作為電極。ESR大，較低的dV/dt和交流電流能力。體積小，價格低，有自愈能力。容量大。17可整理ppt使用：相同容量金屬箔常用于脈沖、交流高壓、緩沖電路（snubber）和諧振電路。金屬化電容在局部擊穿時產(chǎn)生高溫，金屬箔蒸發(fā)不會短路，電容量減少極小，這種現(xiàn)象就是所謂自愈能力，體積小，價格低。這類電容除了一般應用以外，常用于電磁兼容的X電容和Y電容。金屬化聚碳酸酯膜介質CLS體積小，耐高溫、溫度系數(shù)小、絕緣電阻高、自愈性。常應用于邏輯控制電路、延時、積分、濾波、耦合和移相電路。*金屬化電容不使用在低電容，小于0.01

F,諧振電路,吸收電路,低噪聲。殼溫升不超過15°C，高溫環(huán)境殼溫不超過最高允許溫度。18可整理ppt2.無機介質電容云母電容：云母片為介質，浸銀后形成電極。電容量在數(shù)pF到1μF；電壓定額在50Vdc到2500V-55℃～150℃內(nèi)電容量漂移不超過0.5%比有機介質箔電容更高的dV/dt能力體積較大，成本較高。適合于定時、緩沖電路和高頻交流電路使用。19可整理ppt陶瓷介質電容

：介質成分是鈦酸鹽、鈮鎂酸鉛等

分類：3類1類：高精度，1pF到幾個mF；1類：高精度，1pF到幾個mF；2類：獨石電容，和1類相同的殼體，容量是以上電容20~70倍，但在溫度－55℃～125℃范圍內(nèi)變化大約±10%，最大變化為＋15%～－25%；3類：電容容量是2類大約5倍，電容量隨電壓和溫度變化較大。溫度范圍－25℃～85℃，電容變化大約＋20%～－65%20可整理ppt使用1類用于定時、諧振電路和需要補償溫度效應的電路，也適合要求低損耗和高絕緣電阻的一般電路中使用。在收音機、電視機、收錄機等電子產(chǎn)品種要求容量穩(wěn)定的交直流的脈沖電路中使用。在收音機、電視機、收錄機等電子產(chǎn)品種要求容量穩(wěn)定的交直流的脈沖電路中使用。2類電容量大，外形尺寸小。電路中用于隔直流、旁路耦合、濾波和對損耗和容量穩(wěn)定性要求不高的場合。

3類容量大，但要求不高的地方，價格低廉。21可整理ppt四、開關電源中電容器1、輸入EMC濾波、整流和PFCC1C2C3C4C5C6C7UiUoHVC8220V50HzAB22可整理pptC1,C4－EMC差模（常模）濾波：一般采用有機介質金屬化交流電容。通常稱為X電容。C2,C3－EMC共模濾波：一般稱為Y電容。通常采用高壓一類陶瓷電容，或高壓金屬化電容。要求較低的ESR。數(shù)值受安全泄漏電流(<3mA)限制。C5－PFC輸入電容：通常采用金屬化電容，如CBB。保證PFC工作，輸入整流電壓為零附近有1V左右電壓。減少輸入電流過零失真,一般在1~4μF。C6,C7－緩沖（Snubber）電容：一般采用金屬箔/膜電容，具有很高的dV/dt能力，以及非常小的ESR和ESL。通常稱為snubber電容。C8－輸出濾波電容：鋁電解電容，按紋波電壓要求，根據(jù)峰值電流和電容的ESR選擇容量，檢查電容的紋波電流定額是否滿足電路要求。23可整理ppt2.功率電路C11C9C9,C10－Snubber電容，要求極低ESR，一般按dV/dt能力選擇電容。C10C11－輸出濾波電容，電解電容，按紋波電壓要求，根據(jù)紋波電流和電容的ESR選擇電容量。UoHVUo輔助線圈24可整理ppt3.輔助電路C12C