開關(guān)電源對電解電容器性能的基本要求

摘 要：隨著開關(guān)電源設(shè)備小型化、輕便化和集成電路的迅猛發(fā)展，本文分析了開關(guān)電源的發(fā)展對作為構(gòu)成開關(guān)電源的重要元件電解電容器性能的要求，即也必須實(shí)現(xiàn)小型化、高頻低阻抗化、長壽命化和耐紋波電流。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；電解電容器；低阻抗；長壽命
Basic Requires of Electrolytic Capacitor Performance by SMPS
Yan Xiaojin Pan Yan Chen Yongzhen LiaoNing University of Technology, 121001
Abstract：Along with the switching power supply equipment miniaturization, facile and the integrated circuit swift and violent development, the require of electrolytic capacitor performance by the development of switching power supply is analyzed in this article, electrolytic capacitor is the important part of switching power supply. namely also had to realize the miniaturization, the high frequency low impedance, the long life and large ripple current resistance.
Key words：switching power supply；electrolytic capacitor；low impedance；long useful life
電解電容器是開關(guān)電源中一次和二次回路濾波電路中最重要的器件之一。通常，電解電容器的等效電路可以認(rèn)為是理想電容器與寄生電感、等效串聯(lián)電阻的串聯(lián)，如圖1所示。

圖1 電解電容器的等效電路

眾所周知，開關(guān)電源是當(dāng)今信息家電設(shè)備的主要電源，為電子設(shè)備小型輕便化作出不可磨滅的貢獻(xiàn)。開關(guān)電源不斷的小型化、輕量化和高效率，在電子設(shè)備中使用量越來越大，普及率越來越高。相應(yīng)的就要求電解電容器小型大容量化，耐紋波電流，高頻低阻抗化，高溫度長壽命化和更適應(yīng)高密度組裝。
1 大容量、小體積
由于電解電容器多數(shù)采用卷繞結(jié)構(gòu)，很容易擴(kuò)大體積，因此單位體積電容量非常大，比其它電容大幾倍到幾十倍。但是大電容量的獲取是以體積的擴(kuò)大為代價(jià)的，現(xiàn)代開關(guān)電源要求越來越高的效率，越來越小的體積，因此，有必要尋求新的解決辦法，來獲得大電容量、小體積的電容器。
在開關(guān)電源的原邊一旦采用有源濾波器電路，則鋁電解電容器的使用環(huán)境變得比以前更為嚴(yán)酷： （1）高頻脈沖電流主要是20 kHz~100kHz的脈動電流，而且大幅度增加；（2）變換器的主開關(guān)管發(fā)熱，導(dǎo)致鋁電解電容器的周圍溫度升高；（3）變換器多采用升壓電路，因此要求耐高壓的鋁電解電容器。這樣一來，利用以往技術(shù)制造的鋁電解電容器，由于要吸收比以往更大的脈動電流，不得不選擇大尺寸的電容器。結(jié)果，使電源的體積龐大，難以用于小型化的電子設(shè)備。為了解決這些難題，必須研究與開發(fā)一種新型的電解電容器，體積小、耐高壓，并且允許流過大量高頻脈沖電流。另外，這種電解電容器，在高溫環(huán)境下工作，工作壽命還須比較長。
2 高溫、長壽命化
在開關(guān)電源設(shè)計(jì)過程中，不可避免地要挑選適用的電容。就100μF以上的中、大容量產(chǎn)品來說，因?yàn)殇X電解電容的價(jià)格便宜，所以，迄今使用的最為廣泛。但是, 最近幾年卻發(fā)生了顯著變化，避免使用鋁電解電容的情況正在增加。
出現(xiàn)這種變化的一個(gè)原因是，鋁電解電容的壽命往往會成為整個(gè)設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)。電源模塊制造廠家的工程師表示：“對于鋁電解電容這種壽命有限的元件，如果可以不用, 就盡量不要采用?！币?yàn)殇X電解電容內(nèi)部的電解液會蒸發(fā)或產(chǎn)生化學(xué)變化，導(dǎo)致靜電容量減少或等效串聯(lián)電阻(ESR)增大, 隨著時(shí)間的推移，電容性能肯定會劣化。
電解電容器的壽命與電容器長期工作的環(huán)境溫度有直接關(guān)系，溫度越高，電容器的壽命越短。普通的電解電容器在環(huán)境溫度為90℃時(shí)已經(jīng)損壞，如：B41303，B43303等型號的電解電容器。但是現(xiàn)在有很多種類的電解電容器的工作環(huán)境溫度已經(jīng)很高，如B43502在環(huán)境溫度為90℃，通過電解電容器的交流電流和額定脈沖電流的比為0.5時(shí)，壽命仍然為10000h，但是如果溫度上升到95℃時(shí)，電解電容器即已經(jīng)損壞。因此，在選擇電容器的時(shí)候，應(yīng)該根據(jù)具體的環(huán)境溫度和其它的參數(shù)指標(biāo)來選定，如果忽略了環(huán)境溫度對電容器壽命的影響，那么電源工作的可靠性、穩(wěn)定性將大大降低，甚至損壞設(shè)備和儀器。就一般情況而言，電解電容器工作在環(huán)境溫度為80℃時(shí)，一般能達(dá)到10000h壽命的要求。
另一方面，電解電容器的壽命還與電容器長時(shí)間工作的交流電流與額定脈沖電流（一般是指在85℃的環(huán)境溫度下測試值，但是有一些耐高溫的電解電容器是在125℃時(shí)測試的數(shù)據(jù)）的比值有關(guān)。一般說來，這個(gè)比值越大，電解電容器的壽命越短，當(dāng)流過電解電容器的電流為額定電流的3.8倍時(shí)，電解電容器一般都已經(jīng)損壞。所以，電解電容器有它的安全工作區(qū)，對于一般應(yīng)用，當(dāng)交流電流與額定脈沖電流的比值在3.0倍以下時(shí)，對于壽命的要求已經(jīng)滿足。環(huán)境溫度和紋波電流對電解電容器的影響如圖2所示。

圖2 EPCOS的B43564鋁電解電容器的壽命與溫度、紋波電流的關(guān)系

3 高頻低阻抗化
對于中小輸出功率開關(guān)電源的工作頻率除少數(shù)因價(jià)格限制而仍采用20~40kHz外，大多數(shù)均在50kHz以上；DC/DC電源模塊大多在300kHz以上；大功率開關(guān)電源的開關(guān)頻率受主開關(guān)（一般采用IGBT）的開關(guān)速度限制而一般在20~40kHz。盡管開關(guān)頻率有所不同，但是開關(guān)電源的輸出整流濾波電容器的作用基本相同，主要是通過利用濾波電容器吸收開關(guān)頻率及其高次諧波頻率的電流分量而濾除其紋波電壓分量。
在開關(guān)電源輸出端用的濾波電容，與工頻電路中選用的濾波電容并不一樣，在工頻電路中用作濾波的普通電解電容器，其上的脈動電壓頻率僅有100Hz，充放電時(shí)間是毫秒數(shù)量級，為獲得較小的脈動系數(shù)，需要的電容量高達(dá)數(shù)十萬微法，因而一般低頻用普通鋁電解電容器制造目標(biāo)是以提高電容量為主，電容器的電容量、損耗角正切值以及漏電流是鑒別其優(yōu)劣的主要參數(shù)。在開關(guān)穩(wěn)壓電源中作為輸出濾波用的電解電容器，由于大多數(shù)的開關(guān)電源工作在方波或矩形波的狀態(tài)，含有及其豐富的高次諧波電壓與電流，其上鋸齒波電壓的頻率高達(dá)數(shù)十千赫，甚至數(shù)十兆赫，它的要求和低頻應(yīng)用時(shí)不同，電容量并不是主要指標(biāo)，衡量它好壞的則是它的阻抗頻率特性，如圖3所示。

圖3 某47μF/350V鋁電解電容器的阻抗頻率特性

由圖可知，隨著頻率的升高，容抗下降、感抗上升，容抗等于感抗并相互抵消時(shí)的頻率為鋁電解電容器的諧振頻率，這時(shí)的阻抗最低，僅剩下ESR。如果ESR為零，則這時(shí)的阻抗也為零；頻率繼續(xù)上升，感抗開始大于容抗，當(dāng)感抗接近于ESR時(shí)，阻抗頻率特性開始上升，呈感性，從這個(gè)頻率開始以上的頻率下電容器時(shí)間上就是一個(gè)電感。由于制造工藝的原因，電容量越大，寄生電感也越大，諧振頻率也越低，電容器呈感性的頻率也越低。這就要求它在開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻段內(nèi)要有低的等效阻抗，同時(shí)，對于電源內(nèi)部，由于半導(dǎo)體器件開始工作所產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百千赫的尖峰噪聲，亦能有良好的濾波作用，一般低頻用普通電解電容器在10kHz左右，其阻抗便開始呈現(xiàn)感性，無法滿足開關(guān)電源使用要求。
用于開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出整流的電解電容器，要求其阻抗頻率特性在300kHz甚至500kHz時(shí)仍不呈現(xiàn)上升趨勢。電解電容器ESR較低，能有效地濾除開關(guān)穩(wěn)壓電源中的高頻紋波和尖峰電壓。而普通電解電容器在100kHz后就開始呈現(xiàn)上升趨勢，用于開關(guān)電源輸出整流濾波效果相對較差。筆者在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，普通CDII型中4700μF,16V電解電容器，用于開關(guān)電源輸出濾波的紋波與尖峰并不比CD03HF型4700μF,16V高頻電解電容器的低，同時(shí)普通電解電容器溫升相對較高。當(dāng)負(fù)載為突變情況時(shí)，用普通電解電容器的瞬態(tài)響應(yīng)遠(yuǎn)不如高頻電解電容器。
開關(guān)電源為了高效率而提高了工作頻率的高頻化，特別是小型高輸出開關(guān)電源中輸入濾波用電容器要求高紋波性，輸出端低阻抗化。要使輸出濾波用電容器在高頻下低阻抗化，必須降低等效串聯(lián)電阻。
4 耐紋波電流
影響電解電容器性能的最主要的參數(shù)之一就是紋波電流問題。紋波電流對鋁電解電容器的影響主要是在ESR上產(chǎn)生功耗使鋁電解電容器發(fā)熱，進(jìn)而縮短使用壽命。
從特性曲線中（圖2）可以看到，紋波電流在ESR上產(chǎn)生的損耗與紋波電流有效值的平方成正比，因而隨著紋波電流的增加，小時(shí)壽命曲線類似于拋物線函數(shù)曲線。降低紋波電流的方法可以采用較大容量的鋁電解電容器，畢竟大容量鋁電解電容器可承受的紋波電流比小容量的鋁電解電容器大；也可以采用多只小容量鋁電解電容器的并聯(lián)方式，還可以選用紋波電流低的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一般而言，反激式變換器產(chǎn)生的開關(guān)變換電流相對最大。表1是各種開關(guān)變換器電路拓?fù)涞闹绷麟娏?、整流濾波的紋波電流、開關(guān)變換電流和濾波電容上的總紋波電流。
表1 各種開關(guān)變換器電路拓?fù)涞恼鳛V波的紋波電流和開關(guān)變換電流
電路拓?fù)浞醇な饺妷悍秶娏鲾嗬m(xù)反激式全電壓范圍，低壓電流連續(xù)反激式220V輸入電流斷續(xù)單端正激占空比0.4推挽、全橋、半橋占空比0.8

表1 各種開關(guān)變換器電路拓?fù)涞恼鳛V波的紋波電流和開關(guān)變換電流

就平板電視來說，為了能承受大電流，就需要進(jìn)一步降低電容的ESR。其原因是，在數(shù)字設(shè)備中，隨著功能的增加，電路的電流有越來越大的趨勢。
對于在液晶電視中進(jìn)行MPEG編解碼工作的圖像處理電路來說，2006年一塊芯片中電源電路的電流約為3A。據(jù)有關(guān)人士預(yù)測稱，為了應(yīng)對全H D (全高清等要求而增大電路的規(guī)模以后，芯片中的電流將增加到5A 左右，而且在2008 年前后將會達(dá)到8A~9A。
如果ESR小，則在有大電流流動時(shí)，電容輸出電壓的下降量也小。伴隨著電流增大而來的降低ESR的要求，有可能成為推進(jìn)電容替換進(jìn)程的主要原因。相對于鋁電解電容將近1Ω的ESR來說，多層陶瓷電容的ESR很小，還不到10mΩ。導(dǎo)電性高分子電容的ESR通常為幾十mΩ，ESR比較小的則在10mΩ以下。鋁電解電容也在開發(fā)ESR比較小的品, 其ESR大約是一般產(chǎn)品的1/2~1/3。
5 高可靠性
開關(guān)電源是一種采用開關(guān)式控制的直流穩(wěn)壓電源，它以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種通信設(shè)備、家用電器、計(jì)算機(jī)及其終端設(shè)備。作為輸入濾波和平滑作用的鋁電解電容器，它的質(zhì)量和可靠性直接影響到開關(guān)電源的可靠性。一旦鋁電解電容器失效，就會導(dǎo)致開關(guān)穩(wěn)壓電源的故障。
開關(guān)穩(wěn)壓電源用鋁電解電容器的失效模式有擊穿失效、開路失效、漏液失效及電參數(shù)超差失效。其中擊穿失效又分為介質(zhì)擊穿和熱擊穿，對于大功率和大電流輸出的開關(guān)電源用電解電容器，熱擊穿失效常占一定比例；電腐蝕導(dǎo)致鋁引出條斷裂和電容器芯子干涸，使開關(guān)穩(wěn)壓電源用鋁電解電容器開路失效的主要失效模式；漏液是開關(guān)穩(wěn)壓電源用鋁電解電容器常見的失效模式，由于使用環(huán)境及工作狀態(tài)較嚴(yán)酷，常發(fā)生漏液失效；開關(guān)穩(wěn)壓電源用鋁電解電容器在使用中最常見的失效模式是電容量減少、漏電流增大及損耗角正切值增大。
6 結(jié)束語
在電子線路中電解電容器是必不可少的，而且，隨著電子設(shè)備的小型化，越來越要求電解電容器具有更好的頻率特性、更低ESR、更低阻抗、 更低ESL，更高耐壓性能、無鉛化，這也是電解電容器今后的發(fā)展方向。
小型化、大容量化的電容器可以通過使用鈮、鈦等新型介電材料及結(jié)構(gòu)方面的改進(jìn)來達(dá)到。而低ESR、低ESL化可以通過新型電解質(zhì)的開發(fā)優(yōu)化工藝及構(gòu)造來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)產(chǎn)品將向更高的電壓方向發(fā)展。
在發(fā)展日新月異的信息技術(shù)領(lǐng)域，電容器將始終是關(guān)鍵元件之一，我們將應(yīng)用新技術(shù)、新材料不斷地開發(fā)出順應(yīng)信息時(shí)代需求的高性能電容器。
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作者簡介：
閆曉金，1982年出生，男，漢，遼寧莊河人，碩士研究生，研究方向：高效率功率變換及超級電容器的應(yīng)用。
潘艷，1982年出生，女，漢，遼寧沈陽人，碩士研究生，研究方向：高效率功率變換。
陳永真，1956年出生，男，漢，遼寧人，副教授，碩士生導(dǎo)師，長期從事電力電子技術(shù)教學(xué)科研工作。