开关电源电路中常见的元件器

第X章开关电源电路中常见的元件器

X.1输入回路中常见的元件

x.1.1压敏电阻

x.1.2气体放电管

x.1.3安规电容

x.1.4瞬态抑制二极管TVS

X.2开关电路中常见的元件

x.2.1肖特基二极管

x.2.2快恢复二极管

X.3滤波电容

x.3.1电解电容

体现电解电容性能指标的参数很多，如表X所示。在电解电容诸多重要参数中除了电类技术人员容易理解的参数，如容量单位为pF）、耐压（单位为V）、工作温度范围、漏电流大小、外形尺寸等参数外，还包含了损耗角正切DF、温度特性、频率因子、最大纹波电流等其他需要一定专业知识才能理解的参数。

表X电解电容参数

参数

典型值

备注

参数

典型值

备注

容量

N1.F

单位体积容量越大越好

DF

0.08-0.45

小好

耐压

6.3V-450V

最大纹波电流

大好

漏电流

尽可能小

纹波电流-频率系数

大好

最高工作温度

85°C、105°C

尽可能高

低温阻抗比

小好

寿命

1000h以上

尽可能长

外形尺寸

小好

1.铝电解电容

由于铝电容容量大，耐压高，是开关电源最主要的滤波电容元件之一。

（1）损耗角正切DF

对于电解电容来说，一般在120Hz频率下测量其DF，因此等效串联电感L的影响完全可以忽略，根据损耗角正切定义

DF=ESR=2^f•ESR•CXC

电解电容DF大小与材料、耐压、容量有关，一般在8%〜45%，即0.08〜0.45之间。如

表X所示。

表X某厂家某系列电解电容DF值（测试温度为20°C，测试频率为120Hz）

额定工作电压（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

在开关电源电路中，尽量选择DF小的电容，尤其是输出回路中高频滤波电容（有时也成为输出滤波电容）的DF要尽可能小，而市电整流后滤波用电解电容的DF大一点也问题不会很大。

由于

ESR=

DF

2兀企

DF越小，意味着等效串联电阻ESR越小，通过相同纹波电流（有效值）引起的损耗就越小，温升就越低。

（这也意味着，在DF一定情况下，滤波电容C容量不能太小，否则在相同输出电流下，损耗会增加，引起效率下降；同时加剧电容内部温升，缩短电容的寿命。

（2） 最大纹波电流

由于ESR电阻的存在，这样当电容在滤波电路中不断重复充电-放电过程中，相当于其交流分量（即纹波电流）流经电容时必然会使电容发热，使电容内部温度升高，而每一电容均有特定的上限工作温度，如85C或105C。所谓最大纹波电流的含义是在特定频率下，电容温升不超过上限工作温度时允许流过的交流电流。例如，耐压为400V容量为47MF的电解电容，在120Hz频率下，最大纹波电流为0.42A。在耐压相同情况下，容量越大，允许流过的纹波电流也越大。

在选择滤波电容时，纹波电流必须小于允许的最大纹波电流，否则电容内部温度就可能超过允许的工作温度。

（3） 纹波电流频率系数（MultiplierforRippleCurrent）

生产厂家一般仅给出120Hz或100KHz频率下，电容允许通过的最大纹波电流有效值。并没有给出所有频率下，电容允许通过的最大纹波电流。为此，提供了纹波电流频率系数参数，如表X所示。

表X某厂家某系列电解电容纹波-频率修正系数

频率（Hz）

50(60)

100(120)

1K

10K

N100K

系数

0.25

0.50

0.80

0.90

1.00

一般规律是，在最高工作频率上限范围内，频率越高，允许通过的纹波电流越大。通过该参数可以求出指定频率下的ESR。

由于功率

P=I2•ESR

即1220Hz^ESR120Hz=I2^ESRf

*ESR120Hz

I2

即esrq=q0HfI2

f

If

*ESR

120Hz

假设47pF/400V电容120Hz频率下的DF为0.15，则ESR =?[=4.230，则

120田2兀企

ESR100KHZ

(4

'100KHzJ

\2

XESR120HZ

(05V——x4.23

=1.06Q

在计算输出纹波电压时，往往需要知道输出滤波电容在特定频率下的ESR值。

如果高频(如100KHz)下纹波电流系数越大，低频(如120Hz)下纹波电流系数越小，则高频下等效串联电阻SER就越小，说明该电容更适合在高频下工作。

(4)温度系数

电解电容参数对温度较为敏感，尤其在低温状态下，容量会变小数倍。因此，生产厂家一般会提供不同温度下电容的阻抗比。

由于测试频率低，寄生电感的影响可忽略，而ESR一般仅占10%〜20%，因此不同环境温度下的阻抗比基本上体现了电容值的变化。

表X某厂家某系列电解电容不同温度下的阻抗比(测试频率为120Hz)

额定工作电压(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

可见电解电容低温特性很差，例如对于耐压为50V的电解电容，若Z(-25°C)/Z(20°C)为2,意味着在-25C环境温度下，容量只有20C环境温度下的一半。

此外，由表X也可以看出常温/低温阻抗与电容耐压值有关，16V以下及160V以上耐压电容低温下阻抗更大(即低温下容量下降更加明显)。

正因如此，含电解电容开关电源需要在低温下，测试其启动、工作状态是否正常。

(6)寿命

普通铝电解电容寿命一般在1000〜3000小时，长寿命品种在3000〜8000小时，超长寿命品种在8000〜12000小时。

电解电容在使用过程中，电解液会逐渐干枯，造成容量下降、损耗角正切DF增加、漏电流增大。当以上3个参数中，任何一个参数超出允许范围时，均认为电容处于失效状态。

影响铝电解电容寿命的主要因素是工作温度(环境温度与纹波电流引起的温升)，大致关系如图X所示，其中横轴为环境温度，纵轴为实际纹波电流/额定纹波电流之比。

图X寿命与环境温度及纹波电流关系

例如，对于在105°C环境下寿命为5000小时的电解，如果环境温度下降为75°C以内，且纹波电流小于额定值，则寿命大约会延长8倍，即达到40000小时。

由环境温度与纹波电流在ESR电阻上发热引起的温升决定了电容的寿命，其经验值

T,T AT

L=Ldx2ioxK-10

其中

Ld为直流工作电压下的使用寿命(即电容标称寿命)

T0为电容工作温度上限值(单位为C)

T为环境温度(单位为C)

K为纹波电流加速因子，当纹波电流在允许范围内时，K取2；当纹波电流超出允许范围时，K取4

AT为电容中心温升(单位为C)

这意味着，环境温度每降低10C，电容寿命延长一倍；在纹波电流允许范围内，纹波电流引起的温升，每升高10C，电容寿命缩短一半；在纹波电流允许范围外，纹波电流引起的温升，每升高10C，电容寿命缩短为原来1/4。

而由纹波电流引起的中心温升

5I2•ESR

AT=

A•H

其中I为纹波电流有效值(A)，ESR为等效串联电阻(Q)；A为电容器的表面积(cm3)；H为散热系数，约为1.5〜2.0X10-3。对于最高工作为85C的电容来说，AT应控制在10C以内；对于最高工作为105C的电容来说，AT应控制在5C以内。实际上，电容器生产厂家就是按该原则确定最高工作温度下的最大纹波电流。

例如，某尺寸电容在105C条件下，厂家注标的最大纹波电流为0.89A，则当纹波电流为0.50A时，电容中心温升

AT=

xAT0

x5=1.6C

由于测量电容中心温度存在一定的困难，只能通过测量电容体表面温度推算其中心温度，而两者之间存在较大的温差，大小与电容体直径有关，如表X所示。

电容体直径(mm)

<10

12.5〜16

18

22

25

30

35

中心温升/表面温升

1.1

1.2

1.25

1.3

1.4

1.6

1.65

可见，直径越大的电容，散热效果越差。因此，在开关电源中，有时会使用数只小直径电容并联获得等量的大电容。

纹波电流引起的温升大小受环境温度限制，环境温度低，纹波电流温升可以大一点，如表X所示。

表X环境温度、最大稳升及中心温度关系

环境温度Ta(C)

40

55

65

85

105

最大稳升AT(C)

30

30

25

15

5

中心温度(C)

70

85

90

100

110

钽电解电容

与铝电解电容相比，钽电解电容单位体积容量大，DF小，但钽电解电容耐压偏低，过压击穿时容易引起明火，因此在开关电源中，一般尽量避免使用钽电解电容。

贴片电容

贴片电容的介质多为陶瓷材料，根据陶瓷材料稳定性的不同，分为四类：COG（NPO，即独石电容，稳定性很高、介质损耗小，但单位体积容量小，主要用在高频电路中，如晶体振荡电路中）、X7R（稳定性高，介质损耗较小，容量较大，主要作开关电源、低频模拟、数字电路的滤波或去耦电容，可替代体积较大的CBB电容）、Z5U及Y5V（稳定性较差，损耗较大，但单位体积容量大，可替代低容量铝、钽电解电容）。

多层陶瓷贴片电容特性

材质

DF

工作温度

温度系数

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.有机薄膜电容

有机薄膜电容介质为有机薄膜材料，主要包括涤纶电容、聚丙烯电容（包括金属化聚丙烯电容）、聚乙脂电容（包括金属化聚乙脂电容）聚酯电容、聚苯乙烯电容、聚碳酸酯电容等，外形如图所示

种类

特点

耐压（V）

介质损耗

（1KHz，25C）

绝缘电阻

用途

聚乙脂电容

50V-100V（偏低）

1%

大

容量较小，通用滤波、耦合。

金属化聚乙脂电

容

100-630V（中等）

1%

大

容量较大，通