谈谈开关电源对电解电容性能的基本要求(二)

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    三、高频低阻抗化
    对于中小输出功率开关电源的工作频率除少数因价格限制而仍采用20~40kHz外,大多数均在50kHz以上;此规格电容器耐纹波电流能力强,且自身内阻(ESR)小,相对普通品而言,用在电路中产品自身不易发热而导致提前失效。DC/DC电源模块大多在300kHz以上;大功率开关电源的开关频率受主开关(一般采用IGBT)的开关速度限制而一般在20~40kHz。尽管开关频率有所不同,但是开关电源的输出整流滤波电容器的作用基本相同,主要是通过利用滤波电容器吸收开关频率及其高次谐波频率的电流分量而滤除其纹波电压分量。
 
    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。
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   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。
 
   用于开关稳压电源输出整流的电解电容器,要求其阻抗频率特性在300kHz甚至500kHz时仍不呈现上升趋势。电解电容器ESR较低,能有效地滤除开关稳压电源中的高频纹波和尖峰电压。而普通电解电容器在100kHz后就开始呈现上升趋势,用于开关电源输出整流滤波效果相对较差。笔者在实验中发现,普通CDII型中4700μF,16V电解电容器,用于开关电源输出滤波的纹波与尖峰并不比CD03HF型4700μF,16V高频电解电容器的低,同时普通电解电容器温升相对较高。当负载为突变情况时,用普通电解电容器的瞬态响应远不如高频电解电容器。
 
   开关电源为了高效率而提高了工作频率的高频化,特别是小型高输出开关电源中输入滤波用电容器要求高纹波性,输出端低阻抗化。要使输出滤波用电容器在高频下低阻抗化,必须降低等效串联电阻。
 
    四、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。纹波电流或电压是指的电流中的高次谐波成分,会带来电流或电压幅值的变化,可能导致击穿,由于是交流成分,会在电容上发生耗散,如果电流的纹波成分过大,超过了电容的最大容许纹波电流,会导致电容烧毁。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
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    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。
 
    五、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。
 
    六、结束语
    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。
 
 
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谈谈开关电源对电解电容性能的基本要求(二)

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。