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随着开关电源设备迅猛发展，为适应市场需要，开关电源趋向于小型化、轻便化、集成电路模块化。其对构成开关电源的重要元件电解电容器性能的要求也越来越高，本文从小型化、高频低阻抗化、长寿命化和耐纹波电流等方面分析了开关电源的发展对电解电容器性能的要求。 一、电解电容器介绍 电解电容器可看成是由二个极板组成，其中作为阳极板的是采用特定的阀金属(铝、钽、铌等金属)，并在该金属表面上借助于电化学方式生成一极薄且具有单向导电性的氧化膜作为介质，而阴极板通常是采用能生成和修复介质氧化膜的液状或固状的电解质。 电解电容器是开关电源中一次和二次回路滤波电路中最重要的器件之一。通常，电解电容器的等效电路可以认为是阳极箔的容量、破坏的阳极氧化膜绝缘电阻、具体有单向导电性的阳极氧化膜（相当于二极管）并联，与电极和引出端子的电阻，阳极氧化膜与电解质的电阻，阴极箔容量，电极及引出端子所引出的等效电感的串联，如图1所示。
图1 电解电容器的等效电路 二、电解电容器性能要求 小体积、大容量 由于电解电容器阳极为腐蚀多孔的阀金属且表面生成一层极薄的介质氧化膜，多数采用卷绕结构，很容易扩大体积，因此单位体积电容量非常大，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大为代价的，现代开关电源要求越来越高的效率，越来越小的体积，因此，有必要寻求新的搞定办法，来获得大电容量、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，则铝电解电容器的运用环境变得比以前更为严酷： （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，致使铝电解电容器的周围温度升高； （3）变换器多采用升压电路，因此要求耐高压的铝电解电容器。 这样一来，利用以往技术制造的铝电解电容器，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。为了搞定这些难题，必须研究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，工作寿命还须比较长。 高温、长寿命化 在开关电源规划过程中，不可避免地要挑选适用的电容。就100μF以上的中、大容量产品来说，因为铝电解电容的价格便宜，所以，迄今运用的最为广泛。 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℃时已经破坏，如：E电脑OS B41303，B43303等型号的电解电容器。 但是现在有很多种类的电解电容器的工作环境温度已经很高，如B43502在环境温度为90℃，通过电解电容器的交流电流和额定脉冲电流的比为0.5时，寿命依旧为10000h，但是如果温度上升到95℃时，电解电容器即已经破坏。因此，在选择电容器的时候，应该根据具体的环境温度和其它的参数指标来选定，如果忽略了环境温度对电容器寿命的影响，那么电源工作的可靠性、稳定性将大大降低，甚至破坏设备和仪器。 就一般情况而言，电解电容器工作在环境温度为80℃时，一般能达到10000h寿命的要求。 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（一般是指在85℃的环境温度下测验值，但是有一些耐高温的电解电容器是在125℃时测验的数据）的比值有关。一般说来，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，电解电容器一般都已经破坏。 所以，电解电容器有它的安全工作区，对于一般使用，当交流电流与额定脉冲电流的比值在3.0倍以下时，对于寿命的要求已经满足。环境温度和纹波电流对电解电容器的影响如图2所示。
图2 E电脑OS的B43564铝电解电容器的寿命与温度、纹波电流的关系 对于中小输出功率开关电源的工作频率除少数因价格限制而仍采用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（一般采用IGBT）的开关速度限制而一般在20~40kHz。 尽管开关频率有所不同，但是开关电源的输出整流滤波电容器的作用基本相同，主要是通过利用滤波电容器吸收开关频率及其高次谐波频率的电流分量而滤除其纹波电压分量。 在开关电源输出端用的滤波电容，与工频电路中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，为获得较小的脉动系数，需要的电容量高达数十万微法，因而一般低频用普通铝电解电容器制造目标是以提升电容量为主，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，含有及其丰富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，甚至数十兆赫，它的要求和低频使用时不同，电容量并不是主要指标，衡量它好坏的则是它的阻抗频率特点，如图3所示。
图3 某47μF/350V铝电解电容器的阻抗频率特点 由于制造工艺的原因，电容量越大，寄生电感也越大，谐振频率也越低，电容器呈感性的频率也越低。这就要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，对于电源内部，由于半导体器件开始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，一般低频用普通电解电容器在10kHz左右，其阻抗便开始呈现感性，无法满足开关电源运用要求。 用于开关稳压电源输出整流的电解电容器，要求其阻抗频率特点在300kHz甚至500kHz时仍不呈现上升趋势。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后就开始呈现上升趋势，用于开关电源输出整流滤波效果相对较差。 通过实验可发现，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。当负载为突变情况时，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提升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要求高纹波性，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，必须降低等效串联电阻。 耐纹波电流 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。纹波电流对铝电解电容器的影响主要是在ESR上产生功耗使铝电解电容器发热，进而缩短运用寿命。 降低纹波电流的方式可以采用较大容量的铝电解电容器，毕竟大容量铝电解电容器可承受的纹波电流比小容量的铝电解电容器大；也可以采用多只小容量铝电解电容器的并联方式，还可以选用纹波电流低的电路拓扑结构。 一般而言，反激式变换器产生的开关变换电流相对最大。表1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。
表1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 对于在液晶电视中进行MPEG编解码工作的图像处理电路来说，2006年一块芯片中电源电路的电流约为3A。据调查，为了应对全H D (全高清)等要求而增大电路的规模以后，芯片中的电流将增加到8A~9A左右。 如果ESR小，则在有大电流流动时，电容输出电压的下降量也小。伴随着电流增大而来的降低ESR的要求，有可能成为进步电容替换进程的主要原因。相对于铝电解电容将近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比较小的则在10mΩ以下。铝电解电容也在开发ESR比较小的产品, 其ESR大约是一般产品的1/2~1/3。 高可靠性 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、轻量和高效率的特点被广泛使用于各种通信设备、家用电器、计算机及其终端设备。 作为输入滤波和平滑作用的铝电解电容器，它的质量和可靠性直接影响到开关电源的可靠性。一旦铝电解电容器失效，就会致使开关稳压电源的问题。 开关稳压电源用铝电解电容器的失效模式有击穿失效、开路失效、漏液失效及电参数超差失效：
三、总结 在电子线路中电解电容器是必不可少的，随着电子设备的小型化，越来越要求电解电容器具有更好的频率特点、温度特点、更低ESR、更低ESL、 更耐纹波电流、更高耐压性能、无铅化，这也是电解电容器今后的发展方向。 小型化、大容量化的电容器可以通过运用新型高介电材料及结构方面的改进来达到。而低ESR、低ESL化可以通过新型电解质的开发优化工艺及构造来实现，同时产品将向更高的电压方向发展。 |
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