zhaoxiuke電容設(shè)計(jì).ppt

1、1,開(kāi)關(guān)電源中電容器的選擇,南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 趙 修 科 2005.6,2,一、電容器的基本原理,結(jié)構(gòu) ：電容器的基本結(jié)構(gòu)是由兩塊導(dǎo)體極板，中間隔離有不同的電介質(zhì)（絕緣體）組成。其符號(hào)如圖（b)所示。,充電：當(dāng)兩個(gè)端子接到電源時(shí)，電源正極將相連極板電子吸走，留下正電荷；而負(fù)極向另一極板同時(shí)送人相等電子。在外電路形成電流。直到極板電壓等于極板兩端電壓。,3,定義：,或,電容量與結(jié)構(gòu)和介質(zhì)有關(guān)：,F, 0 r,A極板面積（m2); d極板間距離（m),通常電容器名稱(chēng)是以介質(zhì)材料來(lái)命名的,4,表1 一些材料的相對(duì)介電常數(shù) 材料 r 材料 r 空氣 1.0 橡膠 2.7 蒸餾水8.0 云母

2、67.5 臘紙 4.3 玻璃 5.58 礦物油2.2 陶瓷 5.8 尼龍 3.55 氧化鋁 7.510 聚酯薄膜3.1 導(dǎo)熱硅脂3.94.3 人造云母5.2 聚四氟乙烯1.82.2,5,電容電路中電流,電容存儲(chǔ)的能量,(J),電容電壓不能突變,正弦交流(u=Umsint)電路中的電容,式中,6,二、電容器的主要參數(shù),1. 容量：?jiǎn)挝籉，（mF），F(xiàn)，nF，pF,標(biāo)稱(chēng)值和電阻相同。按照公差等級(jí)決定序列。,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4.7F，0.047F，47pF等等,誤差等級(jí)1%（00）級(jí)，2%(0)級(jí)，5%（）級(jí)，10%（）級(jí)和2

3、0%（）級(jí),容量標(biāo)注在外殼上，測(cè)試條件為25C，1F 測(cè)試頻率為120Hz， 1F C1nF 測(cè)試頻率為1kHz,7,2.電壓定額,電容器介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度大于它的允許電場(chǎng)強(qiáng)度，這是絕緣介質(zhì)中的電子被拉出來(lái)，產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，引起介質(zhì)擊穿。額定電壓一般比擊穿電壓低。高電壓定額的電容需要更厚的介質(zhì)，比低電壓體積大。,額定直流電壓：電容兩極能施加的最高直流電壓。 額定交流電壓：受損耗限制，一般比直流電壓低得多。并隨頻率增加允許交流電壓降低。,例如：某電容直流額額定電壓為600V，而50Hz交流額定電壓為30V。某電容50Hz交流額定電壓為400V，而在400HZ應(yīng)用，額定電壓降低為240V等。,通常選擇

4、電容額定電壓不得小于電容所承受電路最高電壓的125%。,8,3. ESR、ESL和損耗系數(shù),電容等效電路：C，ESR，ESL和RS,ESR：引線(xiàn)、焊接和介質(zhì)極化損耗。介質(zhì)損耗與溫度和頻率有關(guān)。,ESL：引線(xiàn)、電容極板結(jié)構(gòu)有關(guān)。,RS：泄漏電阻，一般很大,損耗系數(shù)：容量1F，用120Hz； 1F ，用1kHz。C（F），DF（）,9,各種電容引線(xiàn)結(jié)構(gòu)典型ESL,SMT元件典型值在28nH。徑向引線(xiàn)型電容在10nH30nH，螺旋端子電容2050nH，軸向引線(xiàn)型低于200nH。出頭位置和固有電感，,10,4. 紋波電流和dv/dt定額,電容溫升是ESR損耗引起的。為了保證電容的壽命,電容規(guī)定了允許紋

5、波電流值，而有些電容規(guī)定了電壓變化率，即dV/dt,一般用V/s表示。決定此電容脈沖電流(CdV/dt)能力。,電容損耗：,I紋波電流有效值（A）;,絕緣介質(zhì)決定了最高溫度Tm，環(huán)境溫度Ta決定溫升T。而電容器的體積決定了散熱面積，即決定了熱阻，因此給定電容的允許損耗也就確定了。不同電容的ESR不同，各種電容允許的穩(wěn)態(tài)電流有效值也不同。 超過(guò)電容的溫升，將引起電容壽命大大縮短或爆裂。,11,三、電容類(lèi)型和應(yīng)用場(chǎng)合,3.1 極性電容電解電容鋁電解，鉭電解和鈮電解電容,1. 鋁電解電容一般電解電容指鋁電解電容,結(jié)構(gòu)：純鋁陽(yáng)極電極板一面電極，一面陽(yáng)極化生成氧化鋁介質(zhì)，為了增加面積，增加電容量極板氧化

6、成多孔結(jié)構(gòu)。電解液與陰極電氣相連。,工作壽命：ESR增加30% ，或電容量減少到80%判定電容壽命終止。溫度上限的工作時(shí)間為工作壽命。如2k小時(shí)，5k小時(shí)或10k小時(shí)等。,溫度范圍：2585，4085，5585，40105，55105和55125等等,12,壽命降額：阿亨紐斯（Arrhenius）定律，容芯溫度減少10 ，壽命增加1倍。電壓超過(guò)額定電壓也要降額。但額定工作電壓最大不應(yīng)大于電容定額的電壓。 ESR與紋波電流：電解電容的溫升是RESRI2引起的。開(kāi)關(guān)電源中輸出紋波電壓主要是ESR引起的。而I為紋波電流的有效值。 ESR：20kHz以上，一般ESR與其容量的乘積為RESRC50801

7、0-6(s)。,13,按開(kāi)關(guān)電源允許輸出紋波電壓Upp和紋波電流 I（Buck類(lèi)LC濾波通常為負(fù)載電流的20%）選擇電容量。,例：Buck類(lèi)LC濾波輸出電流為20A,允許紋波紋波電壓為100mV。f=50kHz .選擇電解電容。 解：紋波電流為0.2Io=0.220=4A。因?yàn)閁pp IRESR 46510-6/C ,則需要C 46510-6/0.1=2600F。 如果不考慮ESR，按照此容量計(jì)算紋波電壓為Upp IT/2C 42010-6/(2260010-6）=15.4mV,14,如果是反激類(lèi)電感（反激變換器變壓器，Boost，Buck/Buck，Cuk等電感）電容電流有很大的峰值電流。除

8、了按峰值電流選取電容IOFpRESR Upp 外，還應(yīng)檢查電容交流有效值不應(yīng)當(dāng)超過(guò)限值。 如果電感電流是連續(xù)模式(Ia中值電流)：,斷續(xù)(Ip峰值電流) ：,15,使用,1.因?yàn)殡娙堇匣c溫度緊密相關(guān)，多個(gè)電容安裝在一起時(shí)，電容之間應(yīng)當(dāng)留有空隙，便于散熱，電解電容不同外形尺寸的電容間距離為40以上5mm, 1835應(yīng)3mm，616應(yīng)2mm；,2.電容安裝時(shí)盡量不要靠近功率器件和發(fā)熱源；,3.不要用有機(jī)洗滌劑清洗；,4. 電路電壓最高電壓不超過(guò)耐壓值的1.2倍；,5.不能反極性；,6. 已安裝在PCB上的電容不得強(qiáng)迫拉壓或歪扭；,7.在電壓允許的情況下，電容的端盡可能靠近，減少引線(xiàn)電感。,16,

9、2、鉭電容,鉭電容比鋁電容具有好得多的高頻特性，但價(jià)格貴，而且電壓限制在100V和容量數(shù)百F以下，失效為常為短路極易著火。中功率電源輸入最好選擇鋁電解電容，而輸出低壓采用貼片鉭電容。當(dāng)然貼片比插件的容量小而電壓低。比鋁電解電容更好的低溫性能。 鉭電解電容選擇與鋁電解電容相似。仍以輸出紋波電壓和ESR選擇電容量。,17,3.2 無(wú)極性電容,1.有機(jī)薄膜電容,介質(zhì)：薄膜電容有聚乙烯、聚酯（CL）、聚丙烯(CB)、聚四氟乙烯(CF)、聚碳酸脂（CLS ）等薄膜電容。精密、溫度特性好、低漏電流。 類(lèi)型：1.金屬箔/膜電容金屬箔作為電極。極低的ESR，可以承受很高的dV/dt和交流電流。體積大，價(jià)格高。

10、容量小（低于0.01F ) 2.金屬化電容 噴涂在介質(zhì)鋁層作為電極。ESR大，較低的dV/dt和交流電流能力。體積小，價(jià)格低，有自愈能力。容量大。,18,使用：,相同容量金屬箔常用于脈沖、交流高壓、緩沖電路（snubber）和諧振電路。 金屬化電容在局部擊穿時(shí)產(chǎn)生高溫，金屬箔蒸發(fā)不會(huì)短路，電容量減少極小，這種現(xiàn)象就是所謂自愈能力，體積小，價(jià)格低。這類(lèi)電容除了一般應(yīng)用以外，常用于電磁兼容的X電容和Y電容。 金屬化聚碳酸酯膜介質(zhì)CLS體積小，耐高溫、溫度系數(shù)小、絕緣電阻高、自愈性。常應(yīng)用于邏輯控制電路、延時(shí)、積分、濾波、耦合和移相電路。 *金屬化電容不使用在低電容，小于0.01F,諧振電路 ,吸收

11、電路 ,低噪聲 。 殼溫升不超過(guò)15C，高溫環(huán)境殼溫不超過(guò)最高允許溫度。,19,2. 無(wú)機(jī)介質(zhì)電容,云母電容：云母片為介質(zhì)，浸銀后形成電極。 電容量在數(shù)pF到1F； 電壓定額在50Vdc到2500V -55150內(nèi)電容量漂移不超過(guò)0.5% 比有機(jī)介質(zhì)箔電容更高的dV/dt能力 體積較大，成本較高。適合于定時(shí)、緩沖電路和高頻交流電路使用。,20,陶瓷介質(zhì)電容 ：,介質(zhì)成分是鈦酸鹽、鈮鎂酸鉛等,分類(lèi)：3類(lèi) 1類(lèi)：高精度，1pF到幾個(gè)mF；1類(lèi)：高精度，1pF到幾個(gè)mF； 2類(lèi) ：獨(dú)石電容，和1類(lèi)相同的殼體，容量是以上電容2070倍，但在溫度55125范圍內(nèi)變化大約10%，最大變化為15%25%；

12、3類(lèi)：電容容量是2類(lèi)大約5倍，電容量隨電壓和溫度變化較大。溫度范圍2585，電容變化大約20%65%,21,使用,1類(lèi)用于定時(shí)、諧振電路和需要補(bǔ)償溫度效應(yīng)的電路，也適合要求低損耗和高絕緣電阻的一般電路中使用。在收音機(jī)、電視機(jī)、收錄機(jī)等電子產(chǎn)品種要求容量穩(wěn)定的交直流的脈沖電路中使用。在收音機(jī)、電視機(jī)、收錄機(jī)等電子產(chǎn)品種要求容量穩(wěn)定的交直流的脈沖電路中使用。 2類(lèi)電容量大，外形尺寸小。電路中用于隔直流、旁路耦合、濾波和對(duì)損耗和容量穩(wěn)定性要求不高的場(chǎng)合。 3類(lèi) 容量大，但要求不高的地方，價(jià)格低廉。,22,四、開(kāi)關(guān)電源中電容器,1、 輸入EMC濾波、整流和PFC,C1,C2,C3,C4,C5,C6,C

13、7,Ui,UoHV,C8,220V,50Hz,A,B,23,C1, C4EMC差模（常模）濾波：一般采用有機(jī)介質(zhì)金屬化交流電容。通常稱(chēng)為X電容。,C2, C3EMC共模濾波：一般稱(chēng)為Y電容。通常采用高壓一類(lèi)陶瓷電容，或高壓金屬化電容。要求較低的ESR。數(shù)值受安全泄漏電流(3mA)限制。,C5PFC輸入電容：通常采用金屬化電容，如CBB。保證PFC工作，輸入整流電壓為零附近有1V左右電壓。減少輸入電流過(guò)零失真,一般在14 F 。,C6, C7緩沖（Snubber）電容：一般采用金屬箔/膜電容，具有很高的dV/dt能力，以及非常小的ESR和ESL。通常稱(chēng)為snubber 電容。,C8輸出濾波電容：鋁電解電容，按紋波電壓要求，根據(jù)峰值電流和電容的ESR選擇容量，檢查電容的紋波電流定額是否滿(mǎn)足電路要求。,24,2. 功率電路,C11,C9,C9, C10 Snubber電容，要求極低ESR，一般按dV/dt能力選擇電容。,C10,C11輸出濾波電容，電解電容，按紋波電壓要求，根據(jù)紋波電流和電容的ESR選擇電容量。,UoHV,Uo,輔助線(xiàn)圈,2