第X章開(kāi)關(guān)電源電路中常見(jiàn)的元件器

X.1輸入回路中常見(jiàn)的元件

x.1.1壓敏電阻

x.1.2氣體放電管

x.1.3安規(guī)電容

x.1.4瞬態(tài)抑制二極管TVS

X.2開(kāi)關(guān)電路中常見(jiàn)的元件

x.2.1肖特基二極管

x.2.2快恢復(fù)二極管

X.3濾波電容

x.3.1電解電容

體現(xiàn)電解電容性能指標(biāo)的參數(shù)很多，如表X所示。在電解電容諸多重要參數(shù)中除了電類技術(shù)人員容易理解的參數(shù)，如容量單位為pF）、耐壓（單位為V）、工作溫度范圍、漏電流大小、外形尺寸等參數(shù)外，還包含了損耗角正切DF、溫度特性、頻率因子、最大紋波電流等其他需要一定專業(yè)知識(shí)才能理解的參數(shù)。

表X電解電容參數(shù)

參數(shù)

典型值

備注

參數(shù)

典型值

備注

容量

N1.F

單位體積容量越大越好

DF

0.08-0.45

小好

耐壓

6.3V-450V

最大紋波電流

大好

漏電流

盡可能小

紋波電流-頻率系數(shù)

大好

最高工作溫度

85°C、105°C

盡可能高

低溫阻抗比

小好

壽命

1000h以上

盡可能長(zhǎng)

外形尺寸

小好

1.鋁電解電容

由于鋁電容容量大，耐壓高，是開(kāi)關(guān)電源最主要的濾波電容元件之一。

（1）損耗角正切DF

對(duì)于電解電容來(lái)說(shuō)，一般在120Hz頻率下測(cè)量其DF，因此等效串聯(lián)電感L的影響完全可以忽略，根據(jù)損耗角正切定義

DF=ESR=2^f?ESR?CXC

電解電容DF大小與材料、耐壓、容量有關(guān)，一般在8%?45%，即0.08?0.45之間。如

表X所示。

表X某廠家某系列電解電容DF值（測(cè)試溫度為20°C，測(cè)試頻率為120Hz）

額定工作電壓（V）

6.3

10

16

25

35

50

160?450

DF（最大值）

0.26

0.22

0.18

0.16

0.14

0.12

0.15

在開(kāi)關(guān)電源電路中，盡量選擇DF小的電容，尤其是輸出回路中高頻濾波電容（有時(shí)也成為輸出濾波電容）的DF要盡可能小，而市電整流后濾波用電解電容的DF大一點(diǎn)也問(wèn)題不會(huì)很大。

由于

ESR=

DF

2兀企

DF越小，意味著等效串聯(lián)電阻ESR越小，通過(guò)相同紋波電流（有效值）引起的損耗就越小，溫升就越低。

（這也意味著，在DF一定情況下，濾波電容C容量不能太小，否則在相同輸出電流下，損耗會(huì)增加，引起效率下降；同時(shí)加劇電容內(nèi)部溫升，縮短電容的壽命。

（2） 最大紋波電流

由于ESR電阻的存在，這樣當(dāng)電容在濾波電路中不斷重復(fù)充電-放電過(guò)程中，相當(dāng)于其交流分量（即紋波電流）流經(jīng)電容時(shí)必然會(huì)使電容發(fā)熱，使電容內(nèi)部溫度升高，而每一電容均有特定的上限工作溫度，如85C或105C。所謂最大紋波電流的含義是在特定頻率下，電容溫升不超過(guò)上限工作溫度時(shí)允許流過(guò)的交流電流。例如，耐壓為400V容量為47MF的電解電容，在120Hz頻率下，最大紋波電流為0.42A。在耐壓相同情況下，容量越大，允許流過(guò)的紋波電流也越大。

在選擇濾波電容時(shí)，紋波電流必須小于允許的最大紋波電流，否則電容內(nèi)部溫度就可能超過(guò)允許的工作溫度。

（3） 紋波電流頻率系數(shù)（MultiplierforRippleCurrent）

生產(chǎn)廠家一般僅給出120Hz或100KHz頻率下，電容允許通過(guò)的最大紋波電流有效值。并沒(méi)有給出所有頻率下，電容允許通過(guò)的最大紋波電流。為此，提供了紋波電流頻率系數(shù)參數(shù)，如表X所示。

表X某廠家某系列電解電容紋波-頻率修正系數(shù)

頻率（Hz）

50(60)

100(120)

1K

10K

N100K

系數(shù)

0.25

0.50

0.80

0.90

1.00

一般規(guī)律是，在最高工作頻率上限范圍內(nèi)，頻率越高，允許通過(guò)的紋波電流越大。通過(guò)該參數(shù)可以求出指定頻率下的ESR。

由于功率

P=I2?ESR

即1220Hz^ESR120Hz=I2^ESRf

*ESR120Hz

I2

即esrq=q0HfI2

f

If

*ESR

120Hz

假設(shè)47pF/400V電容120Hz頻率下的DF為0.15，則ESR =?[=4.230，則

120田2兀企

ESR100KHZ

(4

'100KHzJ

\2

XESR120HZ

(05V——x4.23

=1.06Q

在計(jì)算輸出紋波電壓時(shí)，往往需要知道輸出濾波電容在特定頻率下的ESR值。

如果高頻(如100KHz)下紋波電流系數(shù)越大，低頻(如120Hz)下紋波電流系數(shù)越小，則高頻下等效串聯(lián)電阻SER就越小，說(shuō)明該電容更適合在高頻下工作。

(4)溫度系數(shù)

電解電容參數(shù)對(duì)溫度較為敏感，尤其在低溫狀態(tài)下，容量會(huì)變小數(shù)倍。因此，生產(chǎn)廠家一般會(huì)提供不同溫度下電容的阻抗比。

由于測(cè)試頻率低，寄生電感的影響可忽略，而ESR一般僅占10%?20%，因此不同環(huán)境溫度下的阻抗比基本上體現(xiàn)了電容值的變化。

表X某廠家某系列電解電容不同溫度下的阻抗比(測(cè)試頻率為120Hz)

額定工作電壓(V)

6.3

10

16

25

35

50

63

100

160?250

160?250

Z(-25C)/Z(20C)

4

3

2

2

2

2

2

2

3

6

Z(-40C)/Z(20C)

8

6

4

3

3

3

3

3

4

8

可見(jiàn)電解電容低溫特性很差，例如對(duì)于耐壓為50V的電解電容，若Z(-25°C)/Z(20°C)為2,意味著在-25C環(huán)境溫度下，容量只有20C環(huán)境溫度下的一半。

此外，由表X也可以看出常溫/低溫阻抗與電容耐壓值有關(guān)，16V以下及160V以上耐壓電容低溫下阻抗更大(即低溫下容量下降更加明顯)。

正因如此，含電解電容開(kāi)關(guān)電源需要在低溫下，測(cè)試其啟動(dòng)、工作狀態(tài)是否正常。

(6)壽命

普通鋁電解電容壽命一般在1000?3000小時(shí)，長(zhǎng)壽命品種在3000?8000小時(shí)，超長(zhǎng)壽命品種在8000?12000小時(shí)。

電解電容在使用過(guò)程中，電解液會(huì)逐漸干枯，造成容量下降、損耗角正切DF增加、漏電流增大。當(dāng)以上3個(gè)參數(shù)中，任何一個(gè)參數(shù)超出允許范圍時(shí)，均認(rèn)為電容處于失效狀態(tài)。

影響鋁電解電容壽命的主要因素是工作溫度(環(huán)境溫度與紋波電流引起的溫升)，大致關(guān)系如圖X所示，其中橫軸為環(huán)境溫度，縱軸為實(shí)際紋波電流/額定紋波電流之比。

圖X壽命與環(huán)境溫度及紋波電流關(guān)系

例如，對(duì)于在105°C環(huán)境下壽命為5000小時(shí)的電解，如果環(huán)境溫度下降為75°C以內(nèi)，且紋波電流小于額定值，則壽命大約會(huì)延長(zhǎng)8倍，即達(dá)到40000小時(shí)。

由環(huán)境溫度與紋波電流在ESR電阻上發(fā)熱引起的溫升決定了電容的壽命，其經(jīng)驗(yàn)值

T,T AT

L=Ldx2ioxK-10

其中

Ld為直流工作電壓下的使用壽命(即電容標(biāo)稱壽命)

T0為電容工作溫度上限值(單位為C)

T為環(huán)境溫度(單位為C)

K為紋波電流加速因子，當(dāng)紋波電流在允許范圍內(nèi)時(shí)，K取2；當(dāng)紋波電流超出允許范圍時(shí)，K取4

AT為電容中心溫升(單位為C)

這意味著，環(huán)境溫度每降低10C，電容壽命延長(zhǎng)一倍；在紋波電流允許范圍內(nèi)，紋波電流引起的溫升，每升高10C，電容壽命縮短一半；在紋波電流允許范圍外，紋波電流引起的溫升，每升高10C，電容壽命縮短為原來(lái)1/4。

而由紋波電流引起的中心溫升

5I2?ESR

AT=

A?H

其中I為紋波電流有效值(A)，ESR為等效串聯(lián)電阻(Q)；A為電容器的表面積(cm3)；H為散熱系數(shù)，約為1.5?2.0X10-3。對(duì)于最高工作為85C的電容來(lái)說(shuō)，AT應(yīng)控制在10C以內(nèi)；對(duì)于最高工作為105C的電容來(lái)說(shuō)，AT應(yīng)控制在5C以內(nèi)。實(shí)際上，電容器生產(chǎn)廠家就是按該原則確定最高工作溫度下的最大紋波電流。

例如，某尺寸電容在105C條件下，廠家注標(biāo)的最大紋波電流為0.89A，則當(dāng)紋波電流為0.50A時(shí)，電容中心溫升

AT=

xAT0

x5=1.6C

由于測(cè)量電容中心溫度存在一定的困難，只能通過(guò)測(cè)量電容體表面溫度推算其中心溫度，而兩者之間存在較大的溫差，大小與電容體直徑有關(guān)，如表X所示。

電容體直徑(mm)

<10

12.5?16

18

22

25

30

35

中心溫升/表面溫升

1.1

1.2

1.25

1.3

1.4

1.6

1.65

可見(jiàn)，直徑越大的電容，散熱效果越差。因此，在開(kāi)關(guān)電源中，有時(shí)會(huì)使用數(shù)只小直徑電容并聯(lián)獲得等量的大電容。

紋波電流引起的溫升大小受環(huán)境溫度限制，環(huán)境溫度低，紋波電流溫升可以大一點(diǎn)，如表X所示。

表X環(huán)境溫度、最大穩(wěn)升及中心溫度關(guān)系

環(huán)境溫度Ta(C)

40

55

65

85

105

最大穩(wěn)升AT(C)

30

30

25

15

5

中心溫度(C)

70

85

90

100

110

鉭電解電容

與鋁電解電容相比，鉭電解電容單位體積容量大，DF小，但鉭電解電容耐壓偏低，過(guò)壓擊穿時(shí)容易引起明火，因此在開(kāi)關(guān)電源中，一般盡量避免使用鉭電解電容。

貼片電容

貼片電容的介質(zhì)多為陶瓷材料，根據(jù)陶瓷材料穩(wěn)定性的不同，分為四類：COG（NPO，即獨(dú)石電容，穩(wěn)定性很高、介質(zhì)損耗小，但單位體積容量小，主要用在高頻電路中，如晶體振蕩電路中）、X7R（穩(wěn)定性高，介質(zhì)損耗較小，容量較大，主要作開(kāi)關(guān)電源、低頻模擬、數(shù)字電路的濾波或去耦電容，可替代體積較大的CBB電容）、Z5U及Y5V（穩(wěn)定性較差，損耗較大，但單位體積容量大，可替代低容量鋁、鉭電解電容）。

多層陶瓷貼片電容特性

材質(zhì)

DF

工作溫度

溫度系數(shù)

COG（NPO）

W0.5%（5PF以下）

W0.15%（5PF以下）

-55?125°C

30?60ppm/C

X7R

<2.5%

-55?125°C

15%

Y5V

<5.0%

-25?85C

60%?30%

4.有機(jī)薄膜電容

有機(jī)薄膜電容介質(zhì)為有機(jī)薄膜材料，主要包括滌綸電容、聚丙烯電容（包括金屬化聚丙烯電容）、聚乙脂電容（包括金屬化聚乙脂電容）聚酯電容、聚苯乙烯電容、聚碳酸酯電容等，外形如圖所示

種類

特點(diǎn)

耐壓（V）

介質(zhì)損耗

（1KHz，25C）

絕緣電阻

用途

聚乙脂電容

50V-100V（偏低）

1%

大

容量較小，通用濾波、耦合。

金屬化聚乙脂電

容

100-630V（中等）

1%

大

容量較大，通