电容器
• 开关电源使用各种电容器： • 按极性分极性电容和非极性电容；按材 料分铝、钽和铌电解电容，无机电容： 陶瓷电容和云母电容；有机薄膜电容等 ，按功能分有X，Y电容，Snabber电容， 穿心电容等，去耦电容，定时电容，滤 波电容和谐振电容等
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一、电容器的基本原理
结构 ：电容器的基本结构是
• 可变电阻：功率注意限制电流；电位器 可靠性差。 • 限流电阻：限制启动电容充电电流－采 用线绕电阻； • NTC，PTC－限流和温度补偿 • 降压电阻：贴片电阻－注意电压定额， 和最大电阻值<1MΩ－一般PCB上最大电 阻值。
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电阻(7)-电阻的使用电阻
• 压敏电阻MOV 特性：类似稳压管双向击穿特性 击穿电压：通常对应1A电压值UB 残压比：1000A时电压与击穿电压之比 吸收能量：J 应用：并联在被保护元件端－器件，电感 ，输入电路（抗尖峰，雷击等） 单独应用：配合保险丝应用（浪涌吸收） 。
容量标注在外壳上，测试条件为25C，>1μF 测试频率为 120Hz， 1μF >C>1nF 测试频率为1kHz
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2.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。
电阻标称值按10进对数分割，根据公差不同分为E48，E24 ，E12和E6等。公差为1%，5%，10%和20% 等。以5%为 例，E24的标称值为
1, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.8, 2.0, 2.2, 2.4, 2.7, 3.0, 3.3, 3.9, 4.3, 4.7, 5.1, 5.6, 6.2, 6.8, 7.5, 8.2, 9.1 3
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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。 例如电感电流是断续模式(Ip2＝5A－峰值电流),允 许纹波： ΔUpp＝100 mV，选择电容量
电容损耗：P
I 2 RESR
Tm Ta T Rth P
I－纹波电流有效值（A）; 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。
开关电源中元件选择
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主要内容
• • • • • • 电阻器 电容器 光耦 运算放大器 比较器 保险丝
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Байду номын сангаас
电阻器 (1)-基本知识
• 定义：R＝U/I • 电阻器类型：
l l R A A
碳质电阻，碳膜电阻，金属化电阻，金属氧化膜 电阻，贴片电阻，线绕电阻，温度电阻（NTC， PTC），取样电阻，压敏电阻等. • 电阻值与公差电阻值与公差
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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。（化成电压135~200%额定电压） 温度范围：－25℃～85℃，－40℃～85℃，－55℃～ 85℃，－40℃～105℃，－55℃～105℃和－55℃～ 125℃等等 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。
C
A 0 r A

ε
d d ＝ 0 r
r A r A 6 8.85 10 F 36d d
-12 -9 =8.85 × 10 F/m(1 × 10 /36π ) 0
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
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表1 一些材料的相对介电常数 材料 ε r 材料 ε r 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 1.8~2.2
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%。
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设计计算参数表
• 举例：输出功率为100W，变换器效率为85%，变换器
由220V/50Hz交流电源供电，经桥式整流，电容滤波，给 DC/DC变换器供电，变换器允许输入纹波电压峰峰值为 30V，选择输入滤波电容。
解： k (U p 30) / U p 0.90 P i P o / 100 / 0.85 118 查得α＝2.119,γ＝0.0076 得到电容 C P μF o 2.119 118 250 电容电流有效值 I ac C 0.0076 250 1.9 A
C
I p 65 U pp
5 65 3250μF 0.1
断续(Ip－峰值电流) ，DR＝TR/T=0.5：
TR
I ac I p
2 DR DR 0.5 0.25 5 1.6A 3 4 3 4
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反激连续，D＝0.5,
连续(Ia－中值电流) ：
Ia
I p Ia I / 2
Z
1F ，用1kHz。C（F），DF（％）
f
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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(插入式）电容在10nH～ 30nH，螺旋端子电容20~50nH， 轴向引线型低于200nH。
容芯卷绕大，平叠小。
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4. 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。
需要的电容量 ：
C
I p 65 U pp
μF
连续交流电流有效值应当小于所选电容允许 电流有效值：
I I a D(1 D) Ic
反激输出纹波尖刺问题
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工频整流电容滤波电容选择
• 能量关系
Po Po C Po 2 2 2 2 f (U p U L ) fU p (1 k )
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按开关电源允许输出纹波电压ΔUpp和纹波 电流Δ I（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＝ Δ IRESR＝ 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＝ Δ IT/2C ＝ 4×20×10-6/(2×2600×10-6）=15.4mV 按实际ESR计算纹波
Uip UL
1 2 fU p (1 k 2 )
k= UL/Up；
1
Ii
Ii
t
脉冲宽度 t cos k
2 f
2 I I 2 tf (2 tf ) C 流过电容的交流有效值 ac cp • 输出接开关电源，输入电流有效值为Isw，电容电 流总有效值 2 2
I AC I ac I sw
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3. ESR、ESL和损耗系数
电容等效电路：C，ESR，ESL和RS
1 Z jLESL RESR jC
ESR：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>1F，用120Hz；<
DF RESR R C tan ESR 10000 1000 C 10000
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电阻(5)-电阻的使用
• 取样电阻 电压取样：至少1个采用10kΩ，同类电阻， 如果要求输出电压精度高，应当选择高精 度。 电流取样：无感电阻－双线反绕线绕电阻 ，四端电阻；分流器，康铜丝，金属化电 阻多个并联。PCB铜皮线（过流检测） 35μm
l R 0.5 mΩ d
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电阻(6)-电阻的使用电阻
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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)。
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电阻(4)-电阻的使用
• 普通负载电阻 功率：选择额定功率比实际电路功率大1倍。 直流负载： P=U2/R 开关电路：P=DU2/R或P=I2R 缓冲电路： P=fCU2
电压：只用额定电压一半 数值和公差:一般要求不严格，由电路决定，防失控 电阻（最大电阻值）。
定时电阻：精度高，温度系数小。（选大电 阻）
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MOV应用
• 例如电感电流10A，电感量为10mH(0.5J)正常工 作时电感两端最大峰值电压为50V，电感两端最 大过电压为200V。可以选择大于能量0.5J，击穿 电压60V以上的压敏电阻。一般压敏电阻击穿电 压为1A测试值，残压比乘以击穿电压对应的电流 通常在1000A以上，这里电感电流10A很容易达到 。如果选择残压比为10的80V压敏电阻，对应 1000A的电压为10×80V＝800V，假设电压随电 流线性增加，10A时MOV端电压 [1000A:10=(800V-80V ) :( U-80) ] ，解得对应10A 的保护电压大约为88V，小于200V。如果希望保 护电压与击穿电压接近，应选择较小残压比的 MOV。 10 • 避雷