zhaoxiuke电容设计.ppt
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1、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 2005.6,2,一、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。,3,定义:,或,电容量与结构和介质有关:,F, 0 r,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,4,表1 一些材料的相对介电常数 材料 r 材料 r 空气 1.0 橡胶 2.7 蒸馏水 8.0 云母
2、 67.5 腊纸 4.3 玻璃 5.58 矿物油 2.2 陶瓷 5.8 尼龙 3.55 氧化铝 7.510 聚酯薄膜 3.1 导热硅脂 3.94.3 人造云母 5.2 聚四氟乙烯 1.82.2,5,电容电路中电流,电容存储的能量,(J),电容电压不能突变,正弦交流(u=Umsint)电路中的电容,式中,6,二、电容器的主要参数,1. 容量:单位F,(mF),F,nF,pF,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4.7F,0.047F,47pF等等,误差等级1%(00)级,2%(0)级,5%()级,10
3、%()级和20%()级,容量标注在外壳上,测试条件为25C,1F 测试频率为120Hz, 1F C1nF 测试频率为1kHz,7,2.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。,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
4、。,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%。,8,3. ESR、ESL和损耗系数,电容等效电路:C,ESR,ESL和RS,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; 1F ,用1kHz。C(F),DF(),9,各种电容引线结构典型ESL,SMT元件典型值在28nH。径向引线型电容在10nH30nH,螺旋端子电容2050nH,轴向引线型低于200nH。出头位置和固有电感,,10,4. 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
5、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/s表示。决定此电容脉冲电流(CdV/dt)能力。,电容损耗:,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T。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。,11,三、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
6、容量极板氧化成多孔结构。电解液与阴极电气相连。,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。,温度范围:2585,4085,5585,40105,55105和55125等等,12,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RESR
7、C508010-6(s)。,13,按开关电源允许输出纹波电压Upp和纹波电流 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=0.220=4A。因为Upp IRESR 46510-6/C ,则需要C 46510-6/0.1=2600F。 如果不考虑ESR,按照此容量计算纹波电压为Upp IT/2C 42010-6/(2260010-6)=15.4mV,14,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
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