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大型品铝电解,电解电容选型时需要注意几个重要参数和指标!
- 2019-04-27-

众所周知,开关电源是当今信息家电设备的主要电源,为电子设备小型笨重化作出不可磨灭的奉献。开关电源不时的小型化、轻量化和高效率,在电子设备中运用量越来越大,提高率越来越高。相应的就请求电解电容器小型大容量化,耐纹波电流,高频低阻抗化,高温度短命命化和更顺应高密度组装。

1 电容量与体积由于电解电容器多数采用卷绕构造,很容易扩展体积,因而单位体积电容量十分大,比其它电容大几倍到几十倍。但是大电容量的获取是以体积的扩展为代价的,现代开关电源请求越来越高的效率,越来越小的体积,因而,有必要寻求新的处理方法,来取得大电容量、小体积的电容器。在开关电源的原边一旦采用有源滤波器电路,则大型品铝电解器的运用环境变得比以前更为残酷:

(1)高频脉冲电流主要是20 kHz~100kHz的脉动电流,而且大幅度增加;

(2)变换器的主开关管发热,招致大型品铝电解器的四周温度升高;

(3)变换器多采用升压电路,因而请求耐高压的大型品铝电解器。这样一来,应用以往技术制造的大型品铝电解器,由于要吸收比以往更大的脉动电流,不得不选择大尺寸的电容器。结果,使电源的体积庞大,难以用于小型化的电子设备。为理解决这些难题,必需研讨与开发一种新型的电解电容器,体积小、耐高压,并且允许流过大量高频脉冲电流。另外,这种电解电容器,在高温环境下工作,工作寿命还须比拟长。

2 接受温度与寿命

在开关电源设计过程中,不可防止地要选择适用的电容。就100μF以上的中、大容量产品来说,由于大型品铝电解的价钱廉价,所以,迄今运用的最为普遍。但是, 最近几年却发作了显著变化,防止运用大型品铝电解的状况正在增加。 呈现这种变化的一个缘由是,大型品铝电解的寿命常常会成为整个设备的单薄环节。电源模块制造厂家的工程师表示:“关于大型品铝电解这种寿命有限的元件,假如能够不用, 就尽量不要采用”

由于大型品铝电解内部的电解液会蒸发或产生化学变化,招致静电容量减少或等效串联电阻(ESR)增大, 随着时间的推移,电容性能肯定会劣化。电解电容器的寿命与电容器长期工作的环境温度有直接关系,温度越高,电容器的寿命越短。普通的电解电容器在环境温度为90℃时曾经损坏。但是如今有很多品种的电解电容器的工作环境温度曾经很高在环境温度为90℃,经过电解电容器的交流电流和额定脉冲电流的比为0.5时,寿命依然为10000h,但是假如温度上升到95℃时,电解电容器即曾经损坏。因而,在选择电容器的时分,应该依据详细的环境温度和其它的参数指标来选定,假如疏忽了环境温度对电容器寿命的影响,那么电源工作的牢靠性、稳定性将大大降低,以至损坏设备和仪器。就普通状况而言,电解电容器工作在环境温度为80℃时,普通能到达10000h寿命的请求。另一方面,电解电容器的寿命还与电容器长时间工作的交流电流与额定脉冲电流(普通是指在85℃的环境温度下测试值,但是有一些耐高温的电解电容器是在125℃时测试的数据)的比值有关。

普通说来,这个比值越大,电解电容器的寿命越短,当流过电解电容器的电流为额定电流的3.8倍时,电解电容器普通都曾经损坏。所以,电解电容器有它的平安工作区,关于普通应用,当交流电流与额定脉冲电流的比值在3.0倍以下时,关于寿命的请求曾经满足。环境温度和纹波电流对电解电容器的影响。

某大型品铝电解器的寿命与温度、纹波电流的关系

3 频率特性与阻抗

关于中小输出功率开关电源的工作频率除少数因价钱限制而仍采用20~40kHz外,大多数均在50kHz以上;DC/DC电源模块大多在300kHz以上;大功率开关电源的开关频率受主开关(普通采用IGBT)的开关速度限制而普通在20~40kHz。虽然开关频率有所不同,但是开关电源的输出整流滤波电容器的作用根本相同,主要是经过应用滤波电容器吸收开关频率及其高次谐波频率的电流重量而滤除其纹波电压重量。

在开关电源输出端用的滤波电容,与工频电路当选用的滤波电容并不一样,在工频电路中用作滤波的普通电解电容器,其上的脉动电压频率仅有100Hz,充放电时间是毫秒数量级,为取得较小的脉动系数,需求的电容量高达数十万微法,因此普通低频用普通大型品铝电解器制造目的是以进步电容量为主,电容器的电容量、损耗角正切值以及漏电流是鉴别其优劣的主要参数。在开关稳压电源中作为输出滤波用的电解电容器,由于大多数的开关电源工作在方波或矩形波的状态,含有及其丰厚的高次谐波电压与电流,其上锯齿波电压的频率高达数十千赫,以至数十兆赫,它的请求和低频应用时不同,电容量并不是主要指标,权衡它好坏的则是它的阻抗频率特性, 某47μF/350V大型品铝电解器的阻抗频率特性由图可知,随着频率的升高,容抗降落、感抗上升,容抗等于感抗并互相抵消时的频率为大型品铝电解器的谐振频率,这时的阻抗最低,仅剩下ESR。假如ESR为零,则这时的阻抗也为零;频率继续上升,感抗开端大于容抗,当感抗接近于ESR时,阻抗频率特性开端上升,呈理性,从这个频率开端以上的频率下电容器时间上就是一个电感。

由于制造工艺的缘由,电容量越大,寄生电感也越大,谐振频率也越低,电容器呈理性的频率也越低。这就请求它在开关稳压电源的工作频段内要有低的等效阻抗,同时,关于电源内部,由于半导体器件开端工作所产生高达数百千赫的尖峰噪声,亦能有良好的滤波作用,普通低频用普通电解电容器在10kHz左右,其阻抗便开端呈现理性,无法满足开关电源运用请求。用于开关稳压电源输出整流的电解电容器,请求其阻抗频率特性在300kHz以至500kHz时仍不呈现上升趋向。电解电容器ESR较低,能有效地滤除开关稳压电源中的高频纹波和尖峰电压。而普通电解电容器在100kHz后就开端呈现上升趋向,用于开关电源输出整流滤波效果相对较差。笔者在实验中发现,普通CDII型中4700μF,16V电解电容器,用于开关电源输出滤波的纹波与尖峰并不比CD03HF型4700μF,16V高频电解电容器的低,同时普通电解电容器温升相对较高。当负载为突变状况时,用普通电解电容器的瞬态响应远不如高频电解电容器。开关电源为了高效率而进步了工作频率的高频化,特别是小型高输出开关电源中输入滤波用电容器请求高纹波性,输出端低阻抗化。要使输出滤波用电容器在高频下低阻抗化,必需降低等效串联电阻。

4、纹波电流耐受度

影响电解电容器性能的最主要的参数之一就是纹波电流问题。纹波电流对大型品铝电解器的影响主要是在ESR上产生功耗使大型品铝电解器发热,进而缩短运用寿命。

从特性曲线中能够看到,纹波电流在ESR上产生的损耗与纹波电流有效值的平方成正比,因此随着纹波电流的增加,小时寿命曲线相似于抛物线函数曲线。降低纹波电流的办法能够采用较大容量的大型品铝电解器,毕竟大容量大型品铝电解器可接受的纹波电流比小容量的大型品铝电解器大;也能够采用多只小容量大型品铝电解器的并联方式,还能够选用纹波电流低的电路拓扑构造。普通而言,反激式变换器产生的开关变换电流相对最大。

是各种开关变换器电路拓扑的直流电流、整流滤波的纹波电流、开关变换电流和滤波电容上的总纹波电流。 各种开关变换器电路拓扑的整流滤波的纹波电流和开关变换电流就平板电视来说,为了能接受大电流,就需求进一步降低电容的ESR。其缘由是,在数字设备中,随着功用的增加,电路的电流有越来越大的趋向。 关于在液晶电视中停止MPEG编解码工作的图像处置电路来说,2006年一块芯片中电源电路的电流约为3A。据有关人士预测称,为了应对全H D (全高清等请求而增大电路的范围以后,芯片中的电流将增加到5A 左右,而且在2008 年前后将会到达8A~9A。假如ESR小,则在有大电流活动时,电容输出电压的降落量也小。随同着电流增大而来的降低ESR的请求,有可能成为推进电容交换进程的主要缘由。相关于大型品铝电解将近1Ω的ESR来说,多层陶瓷电容的ESR很小,还不到10mΩ。导电性高分子电容的ESR通常为几十mΩ,ESR比拟小的则在10mΩ以下。大型品铝电解也在开发ESR比拟小的品, 其ESR大约是普通产品的1/2~1/3。

5、牢靠性上下

开关电源是一种采用开关式控制的直流稳压电源,它以小型、轻量和高效率的特性被普遍应用于各种通讯设备、家用电器、计算机及其终端设备。作为输入滤波战争滑作用的大型品铝电解器,它的质量和牢靠性直接影响到开关电源的牢靠性。一旦大型品铝电解器失效,就会招致开关稳压电源的毛病。开关稳压电源用大型品铝电解器的失效形式有击穿失效、开路失效、漏液失效及电参数超差失效。其中击穿失效又分为介质击穿和热击穿,关于大功率和大电流输出的开关电源用电解电容器,热击穿失效常占一定比例;电腐蚀招致铝引出条断裂和电容器芯子干涸,使开关稳压电源用大型品铝电解器开路失效的主要失效形式;漏液是开关稳压电源用大型品铝电解器常见的失效形式,由于运用环境及工作状态较残酷,常发作漏液失效;开关稳压电源用大型品铝电解器在运用中最常见的失效形式是电容量减少、漏电流增大及损耗角正切值增大。

6、小结在电子线路中电解电容器是必不可少的,而且,随着电子设备的小型化,越来越请求电解电容用具有更好的频率特性、更低ESR、更低阻抗、 更低ESL,更高耐压性能、无铅化,这也是电解电容器今后的开展方向。 小型化、大容量化的电容器能够经过运用铌、钛等新型介电资料及构造方面的改良来到达。而低ESR、低ESL化能够经过新型电解质的开发优化工艺及结构来完成,同时产品将向更高的电压方向开展。 在开展一日千里的信息技术范畴,电容器将一直是关键元件之一,我们将应用新技术、新资料不时地开发出顺应信息时期需求的高性能电容器。