开关电源中的电容器选择

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1、开关电源中电容器的选择南京航空航天大学自动化学院赵修科2005.61一、电容器的基本原理结构：电容器的基本结构是由两块导体极板，中间隔离有不同的电介质（绝缘体）组成。其符号如图（b)所示。充电：当两个端子接到电源时，电源正极将相连极板电子吸走，留下正电荷；而负极向另一极板同时送人相等电子。在外电路形成电流。直到极板电压等于极板两端电压。2定义：QQ=CU或C=U电容量与结构和介质有关：εAε0εrAεrAεrA−6C====8.85×10μFdd36πdd-12-9ε＝ε0εrε0=8.85×10F

2、/m(1×10/36π)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3表1一些材料的相对介电常数材料ε材料εrr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1.8~2.24dQdU电容电路中电流i==Cdtdt电容存储的能量ttduU12W=∫uidt=∫uCdt=∫Cudu=CU(J)00dt02电容电压不能突变正弦交流(u=Us

3、inωt)电路中的电容mdu2U2Ui=C=2CωUcosωt=cosωt=cosωt=Isin(ωt+π/2)mdt1/ωCXc1式中X=CωC5二、电容器的主要参数1.容量：单位－F，（mF），μF，nF，pF误差等级－±1%（00）级，±2%(0)级，±5%（Ⅰ）级，±10%（Ⅱ）级和±20%（Ⅲ）级标称值－和电阻相同。按照公差等级决定序列。如公差10%：1.0，1.2，1.5，1.8，2.2，2.7，3.3，4.7和6.8等，像4.7μF，0.047μF，47pF等等容量标注在外壳上，测试条

4、件为25°C，>1μF测试频率为120Hz，1μF>C>1nF测试频率为1kHz62.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。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

5、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%。73.ESR、ESL和损耗系数电容等效电路：C，ESR，ESL和RS1Z≈+jωL+RESLESRjωCESR：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。R：泄漏电阻，一般很大S损耗系数：容量>1μF，用120Hz；<1μF，用1kHz。C（μF），DF（％）tanδRRωCESRESRDF===100001000ωC100008各种电容引线结构典型ESL

6、•SMT元件典型值在2~8nH。径向引线型电容在10nH～30nH，螺旋端子电容20~50nH，轴向引线型低于200nH。出头位置和固有电感，94.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。电容损耗：P=I2RT−T=ΔT=RPESRmathI－纹波电流有效值（A）;绝缘介质决定了最高温度T，环境温度T决定温升maΔT。而电容器的体积决定了散热

7、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。10三、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。温度范围：－25℃～85℃，－40℃～85℃，－55℃～85℃，－40℃～105℃，－55℃～105℃和－

8、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。11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RI2ESR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