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留意開關(guān)電源的元器件之電解電容選型的注意點（二）
來源：東莞市成良智能科技 發(fā)布時間：2019-08-08 點擊量：1227
接著上面的文章來繼續(xù)說說，開關(guān)電源的元器件之電解電容的頻率特性與阻抗、可靠度高低及波紋電流耐受度。
1.開關(guān)電源之電容之頻率特性與阻抗
對于中小輸出功率開關(guān)電源的工作頻率除少數(shù)因價格限制而仍采用20~40kHz外，大多數(shù)均在50kHz以上；DC/DC電源模塊大多在300kHz以上；大功率開關(guān)電源的開關(guān)頻率受主開關(guān)（一般采用IGBT）的開關(guān)速度限制而一般在20~40kHz。盡管開關(guān)頻率有所不同，但是開關(guān)電源的輸出整流濾波電容器的作用基本相同，主要是通過利用濾波電容器吸收開關(guān)頻率及其高次諧波頻率的電流分量而濾除其紋波電壓分量。
在開關(guān)電源輸出端用的濾波電容，與工頻電路中選用的濾波電容并不一樣，在工頻電路中用作濾波的普通電解電容器，其上的脈動電壓頻率僅有100Hz，充放電時間是毫秒數(shù)量級，為獲得較小的脈動系數(shù)，需要的電容量高達數(shù)十萬微法，因而一般低頻用普通鋁電解電容器制造目標是以提高電容量為主，電容器的電容量、損耗角正切值以及漏電流是鑒別其優(yōu)劣的主要參數(shù)。
在開關(guān)穩(wěn)壓電源中作為輸出濾波用的電解電容器，由于大多數(shù)的開關(guān)電源工作在方波或矩形波的狀態(tài)，含有及其豐富的高次諧波電壓與電流，其上鋸齒波電壓的頻率高達數(shù)十千赫，甚至數(shù)十兆赫，它的要求和低頻應(yīng)用時不同，電容量并不是主要指標，衡量它好壞的則是它的阻抗頻率特性。
隨著頻率的升高，容抗下降、感抗上升，容抗等于感抗并相互抵消時的頻率為鋁電解電容器的諧振頻率，這時的阻抗最低，僅剩下ESR。如果ESR為零，則這時的阻抗也為零；頻率繼續(xù)上升，感抗開始大于容抗，當(dāng)感抗接近于ESR時，阻抗頻率特性開始上升，呈感性，從這個頻率開始以上的頻率下電容器時間上就是一個電感。由于制造工藝的原因，電容量越大，寄生電感也越大，諧振頻率也越低，電容器呈感性的頻率也越低。這就要求它在開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻段內(nèi)要有低的等效阻抗，同時，對于電源內(nèi)部，由于半導(dǎo)體器件開始工作所產(chǎn)生高達數(shù)百千赫的尖峰噪聲，亦能有良好的濾波作用，一般低頻用普通電解電容器在10kHz左右，其阻抗便開始呈現(xiàn)感性，無法滿足開關(guān)電源使用要求。
用于開關(guān)穩(wěn)壓開關(guān)電源輸出整流的電解電容器，要求其阻抗頻率特性在300kHz甚至500kHz時仍不呈現(xiàn)上升趨勢。電解電容器ESR較低，能有效地濾除開關(guān)穩(wěn)壓電源中的高頻紋波和尖峰電壓。而普通電解電容器在100kHz后就開始呈現(xiàn)上升趨勢，用于開關(guān)電源輸出整流濾波效果相對較差。
在實驗中發(fā)現(xiàn)，普通CDII型中4700μF,16V電解電容器，用于開關(guān)電源輸出濾波的紋波與尖峰并不比CD03HF型4700F,16V高頻電解電容器的低，同時普通電解電容器溫升相對較高。當(dāng)負載為突變情況時，用普通電解電容器的瞬態(tài)響應(yīng)遠不如高頻電解電容器。 開關(guān)電源為了高效率而提高了工作頻率的高頻化，特別是小型高輸出開關(guān)電源中輸入濾波用電容器要求高紋波性，輸出端低阻抗化。要使輸出濾波用電容器在高頻下低阻抗化，必須降低等效串聯(lián)電阻。
2.開關(guān)電源之電容的紋波電流耐受度
影響電解電容器性能的最主要的參數(shù)之一就是紋波電流問題。紋波電流對鋁電解電容器的影響主要是在ESR上產(chǎn)生功耗使鋁電解電容器發(fā)熱，進而縮短使用壽命。從特性曲線中可以看到，紋波電流在ESR上產(chǎn)生的損耗與紋波電流有效值的平方成正比，因而隨著紋波電流的增加，小時壽命曲線類似于拋物線函數(shù)曲線。降低紋波電流的方法可以采用較大容量的鋁電解電容器，畢竟大容量鋁電解電容器可承受的紋波電流比小容量的鋁電解電容器大；也可以采用多只小容量鋁電解電容器的并聯(lián)方式，還可以選用紋波電流低的電路拓撲結(jié)構(gòu)。
3.開關(guān)電源的電容之可靠性高低
開關(guān)電源是一種采用開關(guān)式控制的直流穩(wěn)壓電源，它以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應(yīng)用于各種通信設(shè)備、家用電器、計算機及其終端設(shè)備。作為輸入濾波和平滑作用的鋁電解電容器，它的質(zhì)量和可靠性直接影響到開關(guān)電源的可靠性。一旦鋁電解電容器失效，就會導(dǎo)致開關(guān)穩(wěn)壓電源的故障。 關(guān)穩(wěn)壓電源用鋁電解電容器的失效模式有擊穿失效、開路失效、漏液失效及電參數(shù)超差失效。其中擊穿失效又分為介質(zhì)擊穿和熱擊穿，對于大功率和大電流輸出的開關(guān)電源用電解電容器，熱擊穿失效常占一定比例；電腐蝕導(dǎo)致鋁引出條斷裂和電容器芯子干涸，使開關(guān)電源用鋁電解電容器開路失效的主要失效模式；漏液是開關(guān)穩(wěn)壓電源用鋁電解電容器常見的失效模式，由于使用環(huán)境及工作狀態(tài)較嚴酷，常發(fā)生漏液失效；開關(guān)穩(wěn)壓電源用鋁電解電容器在使用中最常見的失效模式是電容量減少、漏電流增大及損耗角正切值增大。
在電子線路中電解電容器是必不可少的，而且，隨著電子設(shè)備的小型化，越來越要求電解電容器具有更好的頻率特性、更低ESR、更低阻抗、 更低ESL，更高耐壓性能、無鉛化，這也是電解電容器今后的發(fā)展方向
1.開關(guān)電源之電容之頻率特性與阻抗
對于中小輸出功率開關(guān)電源的工作頻率除少數(shù)因價格限制而仍采用20~40kHz外，大多數(shù)均在50kHz以上；DC/DC電源模塊大多在300kHz以上；大功率開關(guān)電源的開關(guān)頻率受主開關(guān)（一般采用IGBT）的開關(guān)速度限制而一般在20~40kHz。盡管開關(guān)頻率有所不同，但是開關(guān)電源的輸出整流濾波電容器的作用基本相同，主要是通過利用濾波電容器吸收開關(guān)頻率及其高次諧波頻率的電流分量而濾除其紋波電壓分量。
在開關(guān)電源輸出端用的濾波電容，與工頻電路中選用的濾波電容并不一樣，在工頻電路中用作濾波的普通電解電容器，其上的脈動電壓頻率僅有100Hz，充放電時間是毫秒數(shù)量級，為獲得較小的脈動系數(shù)，需要的電容量高達數(shù)十萬微法，因而一般低頻用普通鋁電解電容器制造目標是以提高電容量為主，電容器的電容量、損耗角正切值以及漏電流是鑒別其優(yōu)劣的主要參數(shù)。
在開關(guān)穩(wěn)壓電源中作為輸出濾波用的電解電容器，由于大多數(shù)的開關(guān)電源工作在方波或矩形波的狀態(tài)，含有及其豐富的高次諧波電壓與電流，其上鋸齒波電壓的頻率高達數(shù)十千赫，甚至數(shù)十兆赫，它的要求和低頻應(yīng)用時不同，電容量并不是主要指標，衡量它好壞的則是它的阻抗頻率特性。
隨著頻率的升高，容抗下降、感抗上升，容抗等于感抗并相互抵消時的頻率為鋁電解電容器的諧振頻率，這時的阻抗最低，僅剩下ESR。如果ESR為零，則這時的阻抗也為零；頻率繼續(xù)上升，感抗開始大于容抗，當(dāng)感抗接近于ESR時，阻抗頻率特性開始上升，呈感性，從這個頻率開始以上的頻率下電容器時間上就是一個電感。由于制造工藝的原因，電容量越大，寄生電感也越大，諧振頻率也越低，電容器呈感性的頻率也越低。這就要求它在開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻段內(nèi)要有低的等效阻抗，同時，對于電源內(nèi)部，由于半導(dǎo)體器件開始工作所產(chǎn)生高達數(shù)百千赫的尖峰噪聲，亦能有良好的濾波作用，一般低頻用普通電解電容器在10kHz左右，其阻抗便開始呈現(xiàn)感性，無法滿足開關(guān)電源使用要求。
用于開關(guān)穩(wěn)壓開關(guān)電源輸出整流的電解電容器，要求其阻抗頻率特性在300kHz甚至500kHz時仍不呈現(xiàn)上升趨勢。電解電容器ESR較低，能有效地濾除開關(guān)穩(wěn)壓電源中的高頻紋波和尖峰電壓。而普通電解電容器在100kHz后就開始呈現(xiàn)上升趨勢，用于開關(guān)電源輸出整流濾波效果相對較差。
在實驗中發(fā)現(xiàn)，普通CDII型中4700μF,16V電解電容器，用于開關(guān)電源輸出濾波的紋波與尖峰并不比CD03HF型4700F,16V高頻電解電容器的低，同時普通電解電容器溫升相對較高。當(dāng)負載為突變情況時，用普通電解電容器的瞬態(tài)響應(yīng)遠不如高頻電解電容器。 開關(guān)電源為了高效率而提高了工作頻率的高頻化，特別是小型高輸出開關(guān)電源中輸入濾波用電容器要求高紋波性，輸出端低阻抗化。要使輸出濾波用電容器在高頻下低阻抗化，必須降低等效串聯(lián)電阻。
2.開關(guān)電源之電容的紋波電流耐受度
影響電解電容器性能的最主要的參數(shù)之一就是紋波電流問題。紋波電流對鋁電解電容器的影響主要是在ESR上產(chǎn)生功耗使鋁電解電容器發(fā)熱，進而縮短使用壽命。從特性曲線中可以看到，紋波電流在ESR上產(chǎn)生的損耗與紋波電流有效值的平方成正比，因而隨著紋波電流的增加，小時壽命曲線類似于拋物線函數(shù)曲線。降低紋波電流的方法可以采用較大容量的鋁電解電容器，畢竟大容量鋁電解電容器可承受的紋波電流比小容量的鋁電解電容器大；也可以采用多只小容量鋁電解電容器的并聯(lián)方式，還可以選用紋波電流低的電路拓撲結(jié)構(gòu)。
3.開關(guān)電源的電容之可靠性高低
開關(guān)電源是一種采用開關(guān)式控制的直流穩(wěn)壓電源，它以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應(yīng)用于各種通信設(shè)備、家用電器、計算機及其終端設(shè)備。作為輸入濾波和平滑作用的鋁電解電容器，它的質(zhì)量和可靠性直接影響到開關(guān)電源的可靠性。一旦鋁電解電容器失效，就會導(dǎo)致開關(guān)穩(wěn)壓電源的故障。 關(guān)穩(wěn)壓電源用鋁電解電容器的失效模式有擊穿失效、開路失效、漏液失效及電參數(shù)超差失效。其中擊穿失效又分為介質(zhì)擊穿和熱擊穿，對于大功率和大電流輸出的開關(guān)電源用電解電容器，熱擊穿失效常占一定比例；電腐蝕導(dǎo)致鋁引出條斷裂和電容器芯子干涸，使開關(guān)電源用鋁電解電容器開路失效的主要失效模式；漏液是開關(guān)穩(wěn)壓電源用鋁電解電容器常見的失效模式，由于使用環(huán)境及工作狀態(tài)較嚴酷，常發(fā)生漏液失效；開關(guān)穩(wěn)壓電源用鋁電解電容器在使用中最常見的失效模式是電容量減少、漏電流增大及損耗角正切值增大。
在電子線路中電解電容器是必不可少的，而且，隨著電子設(shè)備的小型化，越來越要求電解電容器具有更好的頻率特性、更低ESR、更低阻抗、 更低ESL，更高耐壓性能、無鉛化，這也是電解電容器今后的發(fā)展方向
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