赵修科老师倾情巨献-电容器选择

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2005.62一、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。直到极板电压等于极板两端电压。3定义：601085836dA.dAdAdACrrrCUQ或UQC电容量与结构和介质有关：F＝0rε0=8.85×10-12F/m(1×10-9/36π)A－极板面积（m2);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εr材料εr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1.8~2.25电容电路中电流电容存储的能量200021CUCududtdtduuCuidtWUtttUCtQidddd(J)电容电压不能突变正弦交流(u=Umsint)电路中的电容)/t(ItXUtC/UtUCtuCimc2sincos2cos12cos2ddCXC1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4.7μF，0.047μF，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，1μF测试频率为120Hz，1μFC1nF测试频率为1kHz72.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%。83.ESR、ESL和损耗系数电容等效电路：C，ESR，ESL和RSESR：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。RS：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（％）10000100010000tanCRCRDFESRESRESRESLRLjCjZ19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。出头位置和固有电感，104.纹波电流和dv/dt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/μs表示。决定此电容脉冲电流(CdV/dt)能力。电容损耗：ESRRIP2I－纹波电流有效值（A）;PRTTTtham绝缘介质决定了最高温度Tm，环境温度Ta决定温升ΔT。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℃～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RESRI2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RESRC＝50~80×10-6(s)。13按开关电源允许输出纹波电压ΔUpp和纹波电流ΔI（Buck类LC滤波通常为负载电流的20%）选择电容量。例：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0.2Io=0.2×20=4A。因为ΔUpp＝ΔIRESR＝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ΔUpp＝ΔIT/2C＝4×20×10-6/(2×2600×10-6）=15.4mV14如果是反激类电感（反激变换器变压器，Boost，Buck/Buck，Cuk等电感）电容电流有很大的峰值电流。除了按峰值电流选取电容IOFp×RESR＝ΔUpp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(Ia－中值电流)：)1(DDIIa432OFOFpacDDII断续(Ip－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,φ18～35应3mm，φ6～16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；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。162、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。173.2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0.01μF)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。192.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1μF；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/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PFCC1C2C3C4C5C6C7UiUoHVC8220V50HzAB23C1,C4－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。C2,C3－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。C5－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1~4μF。C6,C7－缓冲（Snubber）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。C8－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。242.功率电路C11C9C9,C10－Snubber电容，要求极低ESR，一般按dV/dt能力选择电容。C10C11－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的ESR选择电容量。UoHVUo辅助线圈253.辅助电路C12－工频滤波，电解电容电容，按RC＝(3~5)T/2选择电容量；C13－电解电容。按控制芯片欠压保护回差ΔUUN＝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。C14－定时电容。薄膜电容或云母电容等精密电容。C15C16－去耦电容。一般用途，3类陶瓷及任何电容。来自辅助线圈C12C13C14CTC15控制IC驱动C16AB26谢谢！27欢迎您到南京航空航天大学来