铝电解电容范文

时间:2023-02-28 20:12:19

铝电解电容范文第1篇

[关键词]铝电解电容 低阻抗

中图分类号:TH551 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2017)01-0400-01

一、引言

高频低阻铝电解电容器在高频下的阻抗值大小,是这类电容的主要电性能指标,在电子产品使用过程中时常发生因铝电解电容器阻抗偏高,在高频下抗纹波能力差,出现铝电解电容器提前失效现象。为提高铝电解电容的抗纹波能力,在铝电解电容的制造过程一般是要想办法降低铝电解电容的阻抗值。本文是就个人的经验和大家探讨几种通过设计和工艺改善来降低高频低阻电容阻抗的方法,实现小型化大纹波电流。

二、 铝电解电容器的芯子结构及阻抗构成

2.1 铝电解电容器的芯子结构

铝电解电容器的芯子结构主要组成部分有:正极导针、负极导针、正极箔、负极箔、电解纸、电解液;

铝电解电容器的正极是正极箔,箔表面经过化成工艺产生一层铝的氧化物Al2O3,通过正极导针引出;铝电解电容器真正的负极是电解液,为了便于与外部电路连接,故通过一层负极箔由负极导针引出。

为了避免铝电解电容器内部正极和负极直接接触造成短路,正极箔和负极箔之间夹了一层电解纸,电解纸主要起到吸附电解液和隔离作用。

2.2 铝电解电容器的阻抗构成

为了研究铝电解电容器的阻抗,先来看一下铝电解电容器的内部等效电路:

从图1可看出,铝电解电容器的内部除了电容以外还存在等效串联电阻、寄生电感。其中等效串联电阻主要由以下几部分产生:引线电阻、刺铆接触电阻、金属氧化膜介质电阻、电解液电阻、电解纸电阻等。等效串联电阻带来的阻抗值加上寄生电感产生的感抗值(主要在高频条件下体现)共同组成了整个铝电解电容器的阻抗值。

三、铝电解电容器的低阻抗设计对策

为了降低铝电解电容器的阻抗值,就必须降低等效串联电阻和寄生电感。

3.1 等效串联电阻

3.1.1 引线电阻

铝电解电容器的引线如下图2所示,它由铝线(部分被压成引线舌片)与镀锡铜包钢(CP线)对焊而成:

引线电阻主要来源于铝线与镀锡铜包钢线的焊接带来的接触电阻,需要采用高纯度高品质的铝材,保证引线的镀锡、镀铜工艺,以提高对焊质量,来降低整条引线的电阻。

3.1.2 刺铆接触电阻

刺铆接触电阻指的是引线舌片与正极箔、负极箔铆接时产生的接触电阻,铆接部位细节。

由于高频低阻电容器多采用高电导率电解液,含水量较大,容易发生水合作用,刺铆工艺控制不好,引线舌片和电极箔之间存在较大间隙,如下图5,接触面积较小,接触电阻就大,同时含浸时电解液渗入空隙处进一步加剧接触电阻变大,对等效串联电阻影响非常大。

3.1.3 金属氧化膜介质电阻

金属氧化膜介质电阻是指铝箔表面形成的金属氧化膜本身带来的等效串联电阻,主要与化成箔工艺、铝箔材料有关,需要化成箔生产厂家努力降低铝箔表面金属化氧化膜介质损耗,来达到降低等效串联电阻的目的。

3.1.4 电解液电阻

电解液电阻是工作电解液带来的等效串联电阻。降低电解液的电阻率均是通过提高电解液的电导率来实现,但是电导率与电解液闪火电压是成反比的,因此如何做到在保证必需的闪火电压的前提下尽可能使工作电解液具有更低的电导率,一直以来都是各电容器生产厂家深入研究的课题。

3.1.5 电解纸电阻

电解纸会产生一部分阻抗,选用密度低,厚度更薄、渗透性好的纤维材质做成的电解纸能有效降低电解纸电阻。

3.2 感抗

电感是由电流流过电极箔、引线时产生的,铝电解电容器的感抗主要来源于引线的电感和芯包卷绕产生的寄生电感,尤其在高频条件下,感抗占主导地位。

对于引线式铝电解电容器,选择短而粗的引线能有效降低感抗值;芯包卷绕应该尽量保证卷绕圈数越少,则寄生电感就越小,因此矮而胖结构的铝电解电容除了铆接点数少导致等效接触电阻偏大以外,圈数太多,高频寄生电感太大也会导致铝电解电容器整体阻抗值变大。

因此设计选型时在考虑电源板尺寸限高的同时,也一定要注意兼顾铝电解电容器的阻抗值特性,高频滤波部分优选结构细而长的铝电解电容。

四、典型应用案例

为提高电源板机插率,减小PCB面积降低成本,研讨二次滤波高频低阻铝电解电容器由卧式改为立式机插方案。现有35V470uF规格高频低阻铝电解电容器,尺寸为10*20mm,容量再大尺寸只会更大,立式机插后均超过电源板12.5mm限高要求,只能采用卧式插件,为达到可立式机插方案,联合铝电解电容器厂商研讨解决方案,确定选用小型化大纹波高频低阻抗系列产品,具体如下:

4.1 改善措施:

根据上文分析,为了提高铝电解电容器的抑制纹波能力,减小发热量,需要降低高频阻抗,具体措施如下:

1.1 采用高耐热超低阻抗电解液,降低电解液电阻;

1.2 采用低阻抗电解纸,降低电解电阻;

1.3 采用高气密性封口丁基胶胶塞,提高气密性,延长铝电解电容器寿命,提高耐纹波电流;

1.4 同时为了满足限高要求,物料高度控制在12.5mm;

1.5 优化刺铆工艺,降低接触电阻值

4.2 常规参数对比:小型化大纹波35V330uF高频低阻产品,与原35V470uF普通高频低阻产品关键参数对比如下:

35V/330uF小型化高频低阻铝电解电容器,通过电容器材料及工艺上的改善,从以上参数测试可知,阻抗和纹波电流均优于容量更大的35V470uF普通高频低阻产品,同时尺寸10*12.5贴板机插后满足电源板限高要求,达到可立式机插降成本方案。

五、小结

铝电解电容器的内部阻抗值对产品性能影响较大,对整个开关电源滤波效果起到关键作用。降低铝电解电容器的阻抗值需从原材料、生产工艺、内部结构设计等多方面因素入手,而不能仅仅简单的通过增大电解液含水量来降低阻抗。

同时电源设计选型时也需重点关注滤波电容的阻抗值参数,选择低阻抗的铝电解电容器才能达到更好的滤波效果,有效提高电源工作效率。

参考文献

[1] 林学清,洪雪宝 铝电解电容器工程技术 厦门大学出版社

[2] 陈国光,曹婉真 电解电容器 西安交通大学出版社

铝电解电容范文第2篇

关键词:铝电容;高比容;技术

随着消费电子行业的兴起,铝电解电容器同样得到了长足的发展,并逐渐呈现出节能、变频、新能源等特点,这种迅猛的发展,对新材料的需求也愈加迫切。

现阶段,电子产品呈现出轻薄化、小型化、组装高密度化等特点,为适应这种趋势,铝电解电容器必须尽量缩小体积、延长寿命、增加容积。为适应电子整机不断向小型化、高密度组装化方向迅速发展,铝电容必须进一步缩小体积、提高比容、延长寿命、高频低阻抗。本文将从铝电容的阳极箔和工作电解液方面探讨铝电容的大电容实现方法。

一、阳极箔技术的研究

铝电解电容器分为阴阳极铝箔、浸以饱和电解质糊体的纸张、铝壳及胶盖,若铝电容的总容量为 C,阳极的容量为 CA,负极的容量为Cc,则 1/C = 1/CA+ 1 / Cc。因为阳极铝箔表面氧化膜的厚度大于阴极,所以阳极箔和电解质糊体组成的电容CA远小于阴极箔和电解质糊体构成的电容Cc,所以,要想提高铝电解电容器的电容量首先应当增大阳极箔的比表面积。

铝电解电容器的容量:C = ε0εrS/d,由公式得知,要增大阳极箔的比表面积的方法有:(1)提高电介质的相对介电常数;(2)扩大阳极箔表面积;(3)将电介质层的厚度d减小,而 d =KVf,K是单位阳极氧化电压的氧化膜厚度,是材料自身的性质,为常数。增大表面积主要靠电化学腐蚀扩面,但因为这个过程存在诸多因素,受到物理极限的限制,所以倍率的增长速度缓慢。和常规铝阳极氧化膜比较,阳极氧化膜中,用阀金属氧化物形成的高阶电相掺杂阀金属的氧化膜,有可能会使铝电容得到大幅度提升。目前多是采用 sol-gel 法对铁电材料复合铝电极箔进行制备,用水解沉积法和电化学沉积法对阀金属氧化物复合铝电极箔进行制备。

1、sol-gel法

Sol-gel法拥有以下优势:即可实现低温处理、可以高效的为衬底材料提供薄膜特性、能够对具有较大面积和复杂表面形貌的衬底材料进行涂覆。

Wannabee 、西安交通大学徐友龙、杜显锋等、上海交通大学王银华等都利用sol-gel法对复合材料的电容性进行了实验,这一系列的研究都实现了复合材料的高电容。

但是利用sol-gel法处理的铝电极箔需要经过长时间的干燥以除去表面的溶剂,并反复浸渍、干燥数周才能取得较好的效果,且由于部分有机体系与铝基体表面存在浸润性问题,故而无法对成膜的均匀性有保证。

2、水解沉积法

水解沉积法是利用焊有阀金属的盐溶液,高温处理和水解沉积,将Al2O3和阀金属氧化物进行复合,阳极氧化后,在铝电极箔表面生成高介电常数的复合氧化膜的技术。

由于水解沉积法的工艺实现方案与工业生产线兼容,所以极力推广。

3、电化学沉积法

电沉积技术是在外加电压下,利用电解质中的阴离子在阴极可以还原为电子的原理,将原有电解质中的离子还原为原子使之形成沉积层。这种工艺因为简单、适合大规模生产、成本低、易于控制薄膜的厚度和结构,所以与其他方法相比在薄膜制备领域有广阔的发展前途。

二、工作电解液的研究

工作电解液是电容的实际阴极,能够对铝阳极氧化膜进行修补,并提供氧离子,直接关系到产品质量。要研究大容量超高压铝电容,电溶液的配置是最关键的技术,工作电解液的化学性质应当稳定,并且拥有较高的闪火电压、较高的氧化效率,比较小的电阻率等性能。为防止对铝箔和密封材料的腐蚀,应当保证pH 值接近中性。

铝电容工作中的电解液,主要由溶剂、溶质、添加剂共同组成,溶质的主要功能是为电解液导电并在氧化过程中提供离子。溶剂在离子溶剂化的过程中起到重要作用,同时决定了电容器工作温度的范围及碘溶液的电导率,直接影响到闪火电压。添加剂的作用是改善电解液的某些性能,虽然用量极少, 但对增强电容器电性能的影响却极大。

在铝电容中常用的电解液成分主要有以下几种:

(1)溶剂:含氧弱酸、硼酸、五硼酸铵等无机盐和有机酸。有机酸氧化能力比较强,但离解度较低,不容易和有机胺中和,电解液的含水量比较高,闪火电压低。有机酸不含硼、介电性好,用量比较少,电离度高,其酸性较无机酸低,不容易氧化铝氧化膜,但闪火电压较低。

(2)溶质:将硼酸改成五硼酸铵后,电解液中的含水量减少,闪火电压得到提高。有机酸有很多,关于溶质要根据具体的电压来选择。

(3)溶剂:碱,包括无机碱(氨水)和有机胺。和氨水比较,有机胺的含水量非常少,碱性明显增强。

(4)溶质:在实践中,溶质常常为有机胺,低压电容器中用的胺分子较小,中高压电容器中用的胺分子较大。

(5)普通铝电容使用液体电解质, 存在着液体电解质的等效串联电阻(ESR)大、难以适应信息技术向高频化发展趋势、高频下阻抗值大、性能受温度的影响大、在高叵滦阅芗不稳定、电阻率随温度的下降急剧上升,限制了电容器在极端温度下的使用等缺点。以上缺点导致其性能与应用范围受到了限制。

利用导电聚合物作为实际阴极的固体铝电容不仅克服了上述缺点,还效延长了电容的寿命提高了其性能。首先因为导电聚合物为固体,不必担心会出现工作电解液泄露或干涸,提高了铝电容的工作寿命;其次因为导电聚合物为电子型导体,其电导率远大于离子型导体工作电解液的电导率,因此可极大改善电容的阻抗频率特性,使之具有高频低阻抗的特点。

目前主要有聚吡咯型(PPY)、7,7,8,8--四氰基对苯二醌二甲烷(TCNQ) 复盐型、导电聚苯胺型和聚(3,,4--次乙二氧基噻吩)型(PEDOT)这四类固体铝电解电容器。前两种已经实现商品化,,后两种还处于开发研究阶段,而其中PEDOT最具发展潜力。

结束语:实践中,铝电解电容器技术得到了长足发展,尤其是片式化技术、高比熔电极箔及电解质固体化技术,明显推动了铝电解电容器技术的发展。本文从电极箔和电解液方面分析了实现铝电容大电容的相关技术上的可能,寻找大电容铝电容的实现方法,期待与专业人士的共探讨。

参考文献:

[1]任志东. 15年成就光荣与梦想――记“高可靠、超小型化钽电解电容器用关键材料生产技术及应用”项目[J]. 中国科技奖励,2013,01:78.

[2]吴玉程,郑红梅,刘家琴,崔接武,王岩,秦永强,洪雨,刘勉诚. 提高铝电解电容器用阳极箔比表面积的研究进展[J]. 功能材料与器件学报,2013,02:79-87.

铝电解电容范文第3篇

【关键词】通信设备 电容器

电容器,顾名思义,是“装电的容器”,是一种容纳电荷的器件。电容器是电子设备中大量使用的电子元件之一,其在电路中所起的作用主要包括:隔直通交、旁路、去耦、滤波、储能等。电容器由很多种分类方法,根据制造材料的不同可以分为:瓷介电容、涤纶电容、电解电容、钽电容,还有先进的聚丙烯电容等;按用途分有:高频旁路、低频旁路、滤波、调谐、高频耦合、低频耦合、小型电容器,其中滤波电容又分为铝电解电容器、纸介电容器、复合纸介电容器、液体钽电容器等。

军事通信设备中使用的电容器主要为瓷介电容、钽电容、铝电容和云母电容。根据电容器在电路中所起的具体作用来选择不同材料的电容才能保证通信设备使用的可靠性。

所有的电容都有各自的技术指标,但根据电容器所使用材料的差异,不同的电容器指标会有所差异,一般的电容都有以下指标:耐压值、纹波电流、等效串联电阻、漏电流、损耗角正切、电容量、温度范围、下面针对电容的作用及选用进行详述。

1 隔直通交

电容器是由两端的极板和中间的绝缘电介质构成的,通电后,极板带电,形成电压,但由于中间的绝缘物质,所以整个电容式不导电的,所以直流电路通路中如有电容,相当于电路时断开的。在交流电路中,因为电流的方向是随时间变化的,而电容器充放电的过程是有时间的,故在极板见形成变化的电场,该电场也是随时间变化的,实际上,电流是通过电场的形式在电容器间通过的。

所有的电容都有隔直通交的作用,但选用时需考虑电容所能承受的极限电压,任何物质都是相对绝缘的,当所加电容器两端电压超过其击穿电压后,电容器会被击穿,此时电容器相当于直通,不在起隔直通交的作用。此外,在选用电容式还应考虑电容器的漏电流指标,所谓漏电流是指在电容器两端施加电压后流经电容器的直流电流,漏电流指标要根据实际使用电路来决定。

2 旁路

旁路电容是为本地器件提供能力的储能器件,它能使稳压器的输出均匀化,减低负载需求。旁路电容一般紧靠负载器件,如此可以很好的防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。旁路电容一般选择钽电容、瓷介电容,但选用具体器件时需考虑电容器的耐压值、等效串联电阻、工作环境。如工作环境温度比较宽,最好选用钽电容。

3 去耦

去耦和旁路比较类似,旁路电容式防止电源对负载产生影响,而去耦电容是防止负载对电源产生影响。当负载电容比较大,去掉电路要对电容进行充电、放电,才能完成信号的跳变,在充电时,电流比较大,而由于电路中电感、电阻等会产生反弹,这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声,会影响前端电路的工作,去耦电容可以满足去掉电路电流的变化,避免相互间的耦合干扰。

4 滤波

电容器的阻抗为Z=1/(ΩC)=1/(2πfC),其中f为频率、C为电容器容量。故电容越大,阻抗越小,通过的频率越高。但当电容量超过1μF的电容多为电解电容,电解电容有很大的电感成分,频率高后反而阻抗会增大。所以滤波电路中一般采用大电容并联小电容。

5 储能

储能型电容器通过整流器收集电荷,并将存储的能量通过变换器引线传送至电源的输出端。储能型电容器容值均较大,多选用铝电解电容,主要是因为铝电解电容容量大、体积小、价格便宜,性价比比较高。

6 其他功能

电容器的种类很多,所起的作用及应用各不相同,以上只是列举了通信设备中常见的电容功能,此外,不同的电容器还具有调谐、耦合(高频耦合、低频耦合)等功能。

7 工程实例

在实际的电路中,电容器的作用一般不会是单一的,可能既有滤波功能,又有储能功能,比如在交流转直流时,交流电源经过整流后都会采用大容量的电容器进行滤波,改电容器同时还有储能作用。

在笔者设计一款AC-DC电源时,要求工作环境温度为-55℃到70℃,在设计初期,为了考虑成本和产品体积等因素,电源的滤波、储能电容采用高压铝电解电容,该电源设计完后再常温下各项指标均满足使用要求,但在进行高低温试验时,带载能力较差。经试验、原理分析,在高低温下,铝电解电容的等效串联电阻变化很大,变化倍数达到30倍,其滤波、储能性能受到很大影响。

在高低温下,铝电解电容等效于常温状态串接一几百欧姆到几千欧姆的电阻,其充电时间加长,滤波效果变差;同时,由于等效串联电阻变大,其所储存的电能对负载放电时相当于内阻变大,自身功耗加大,带载能力变弱。如将铝电解电容换为钽电解电容,由于钽电容等效串联电阻较小,且高低温下变化也小,变化倍数约为10倍,对性能影响不大。编者经过反复验证,将铝电解电容改为钽电解电容后,AC-DC电源的性能指标和常温状态没有差异,可以达到设计、试验要求。

8 结束语

电容器的种类众多,不同的电容运用电路不同,主要作用也不同。在电容器的选用过程中,应根据电容器所起的作用、应用环境、具体的电路参数(工作电压、工作频率)等因素选择合适的电容,同时还应考虑电容器自身的参数,确保选择的电容器可满足使用要求。

作者简介

邓发旺(1979-),男,湖北省襄阳市人。现为陕西烽火电子股份有限公司工程师。研究方向为通信技术应用与开发。

作者单位

铝电解电容范文第4篇

电容器一般有陶瓷电容器、有机薄膜电容器和电解电容器三大类。陶瓷电容器、有机薄膜电容器都是用电介质材料直接命名,而电解电容器则是用一种工艺的名称来命名。正因为此,电解电容器具有与陶瓷电容器、有机薄膜电容器完全不同的特性。电解电容器根据所应用的阀金属材料的不同而分为铝电解电容器和钽电解电容器。

1 电解电容器的基本构造特征

电解电容器的内部结构与陶瓷电容器、有机薄膜电容器相比有明显的不同,大致有三个特征:

(1)电解电容器的电介质是在(如铝、钽、铌之类)阀金属表面上通过电解过程所生成的一层极薄的金属氧化膜(可以小到纳米级),此层氧化膜介质完全与组成电容器的一端电极结合成一个整体,它不能单独存在。而陶瓷电容器、有机薄膜电容器的电介质则是由一种独立制造的绝缘材料(如有机薄膜、陶瓷片等)所构成。

(2)电解电容器中生成氧化膜电介质的阀金属是电容器的一个电极称为阳极,也即在极性电解电容器中是接入电路中应用时的正极。电解电容器的另一极并非金属,而是所谓“电解质”(注意电解质不是电介质),它可以为液体,也可为糊状、凝胶或者是固体,这是使电解电容器能够承受极高的工作电场强度以及保持电容器可靠工作的必要条件,这一极称为电容器的阴极。

(3)为了使阴极能与外界电路相连接,又以另一金属与电解质相接触,这是电解电容器接入电路时的负极,它仅起引出阴极的作用。

为了防止电解电容器的阳极和阴极短路,有时需要在两者之间添加电解电容器纸,又称电解电容器隔膜纸。铝电解电容器和钽电解电容器的结构示意图如图1所示。

2 电解电容器的性能特点

电解电容器结构上的特殊性决定了它在性能上有许多独特之处,现简述如下:

(1)单位体积内所具有的电容量特别大,即比容量非常高。电容器的电容量C=ε0·εr·S/d,ε0是真空电容率,εr是电介质的相对介电常数,S是电极的有效面积,d是电介质的厚度。对于电解电容器,d=α·Vf,α是电介质的形成常数,Vf是电介质的形成电压。由于α一般为nm/V级别,因此,电解电容器的电介质厚度一般比陶瓷电容器、有机薄膜电容器小一个数量级以上。另外,铝电解电容器的阳极箔通过电化学腐蚀后其表面积提高数十甚至百倍,钽电解电容器通过金属粉末烧结获得的阳极体同样具有极高的比表面积。因此,电解电容器的比电容量比其它电容器高一个多数量级。

(2)在电解电容器的工作过程中,它的阴极即电解质具有自动修补或隔绝氧化膜中的疵点的性能使氧化膜介质随时得到加固和恢复其应有的绝缘能力,而不致遭到连续的累积性破坏,这种性能称为自愈特性。

(3)工作电场强度非常高。由于电介质的形成系数α一般为nm/V级别,它的倒数就是电介质的工作场强,约达几百kV/mm;这约是陶瓷、有机薄膜工作场强的几十倍。

(4)可以获得很大的额定电容量。铝电解电容器通过铝箔卷绕方式可以方便实现的体积,因此,可以获得非常大的额定电容量。比如,在较低的工作电压范围内,可以方便地获得法拉级数值的电容量,即使高压电解电容器也可以很容易获得数千微法的电容量,这是其它电容器无法实现的。

(5)具有单向导电性,即所谓有“极性”。应用时应按电源的正、负方向接入电路。电解电容器的阳极(正极)接电源的“+”极,阴极(负极)接电源的“—”极;如果接错不仅电解电容器发挥不了作用,而且漏电流很大,短时间内芯子就会发热,破坏氧化膜,随即失效损坏。如果需要短期应用在完全是交流电源或交流成分较强的直流电路中。可以采用一种称为“双极性”的电解电容器就是将阴极引出箔换成与具有氧化膜的阳极相同的电极,这样实际上是两个电解电容器背对背串联的结构,不仅容量减少一半,而且总体也随之增加。“双极”电解电容器仅是改变了电容器的结构,并没有改变氧化膜的单向导电本质,这也是电解电容器的不足。

(6)工作电压有一定的上限。由于电解电容器的电介质是通过电解过程形成的,其形成电压不能无限升高,而电解电容器的工作电压必须小于电介质的形成电压,因此,电解电容器的工作电压有一定限制。例如单个铝电解电容器的工作电压一般最高值为700 V,而固体钽电解电容器的上限值为150 V。

(7)绝缘性能较差。由于电解电容器电极的比表面积比其它电容器高数十倍,且其工作场强同样高数十倍,因此,电解电容器的相对绝缘性能比其它电容器差。但并不妨碍电解电容器的大量使用。

(8)损耗角正切值较大,而且温度、频率特性亦差。主要是由于电解电容器的一个电极是电解质,其电导率较低,导致其等效串联电阻较大;另外由于电解电容器电容量较大,因此其损耗角正切值较大。如果采用液体电解质作阴极,由于液体材料受温度变化影响大,电解电容器的温度特性较差。同时液体电解质中离子迁移率较低,电容量大,因此频率特性也较差。

(9)铝电解电容器易老化,性能的可靠性将逐年下降。这也是与所使用的液体电解质等原材料有密切的关系。如果采用固体电解质,老化性能会得到明显改变。

(10)铝电解电容器最大的特点是容量大、价格便宜。

3 电解电容器的技术进展

电解电容器近年来得到了快速发展,不仅仅是销售量极大增长、电性能简单提高,而且其结构、种类和应用范围都得到极大发展。

铝电解电容范文第5篇

高压部分主要由整流、滤波、高压开关管、开关脉冲形成电路以及过流、过压保护和EMC等电路组成。对于电源高压侧的摩机,大家常常更换高压滤波电容,但对其容量选择则有许多不同的意见。根据经验,开关电源的初级侧高压滤波电容容量常选择3pF/W,即当开关电源输出功率在1W时,此电容为3pF。卫视机功耗常在20w以下,根据上述经验公式,此电容容量可选择60pF左右,即68pF。我曾试验过将此电容容量增至100pF,效果较68μF稍好,但100μF电容价格要高于68μF电容近一倍。所以建议使用68μF,此时性价比最高。

低压部分主要是由30V、22V、12V、5V、3.3V各路电压的高频整流滤波及电压反馈光耦等构成。因开关变换器是以脉冲形式向电源汲取电能,故当滤波电容器中流过较大的高频电流时,要求用于开关稳压电源输出整流的电解电容器阻抗频率特性在300kHz甚至500kHz左右仍不呈现上升趋势,而普通电解电容器在100kHz后就开始呈现上升趋势(见图2),用于开关电源输出整流滤波效果相对较差。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。由于铝电解电容器在高频段不能很好地发挥作用,应辅之以高频特性好的陶瓷电容器或无感薄膜电容器,其主要优点是:高频特性好,ESR低,如MMK5型容量1μF电容器,谐振频率达2MHz以上,等效阻抗却小于0.02Ω,远低于电解电容器,而且容量越小谐振频率越高(可达50MHz以上)。在铝电解电容器两脚上并联上高频特性好的小容量陶瓷电容器或无感薄膜电容器,这样将得到很好的电源输出频率响应或动态响应。

对于各电压支路滤波电容容量的选择,应结合各路电源负载的大小及对纹波敏感的程度而做出处置。在此建议如下:

30V:10~22pF/50V电容.并联一只O.1μF陶瓷电容器:

22V:470pF/35V电容,并联两只0.1μF陶瓷电容器;

12V:1000μF/35V电容。并联两只0.1μF陶瓷电容器:

5V:470μF/16V电容三只,各并联一只O.1μF陶瓷电容器:

铝电解电容范文第6篇

电容技术

电容具有各种尺寸、额定电压和其他特性,能够满足不同应用的具体要求。常用电介质材料包括油、纸、玻璃、空气、云母、聚合物薄膜和金属氧化物。每种电介质均具有特定属性,决定其是否适合特定的应用。

在电压调节器中,以下三大类电容通常用作电压输入和输出旁路电容:多层陶瓷电容、固态钽电解电容和铝电解电容。

多层陶瓷电容

多层陶瓷电容(MLCC)不仅尺寸小,而且将低ESR、低ESL和宽工作温度范围特性融于一体,可以说是旁路电容的首选。不过,这类电容也并非完美无缺。根据电介质材料不同,电容值会随着温度、直流偏置和交流信号电压动态变化。另外,电介质材料的压电特性可将振动或机械冲击转换为交流噪声电压。大多数情况下,此类噪声往往以微伏计,但在极端情况下,机械力可以产生毫伏级噪声。

电压控制振荡器(VCO)、锁相环(PLL)、RF功率放大器(PA)和其他模拟电路都对供电轨上的噪声非常敏感。在VCO和PLL中,此类噪声表现为相位噪声;在RF PA中,表现为幅度调制;而在超声、CT扫描以及处理低电平模拟信号的其他应用中,则表现为显示伪像。尽管陶瓷电容存在上述缺陷,但由于尺寸小且成本低,因此几乎在每种电子器件中都会用到。不过,当调节器用在噪声敏感的应用中时,设计人员必须仔细评估这些副作用。

固态钽电解电容

与陶瓷电容相比,固态钽电容对温度、偏置和振动效应的敏感度相对较低。新兴一种固态钽电容采用导电聚合物电解质,而非常见的二氧化锰电解质,其浪涌电流能力有所提高,而且无须电流限制电阻。此项技术的另一好处是ESR更低。固态钽电容的电容值可以相对于温度和偏置电压保持稳定,因此选择标准仅包括容差、工作温度范围内的降压情况以及最大ESR。

导电聚合物钽电容具有低ESR特性,成本高于陶瓷电容而且体积也略大,但对于不能忍受压电效应噪声的应用而言可能是唯一选择。不过,钽电容的漏电流要远远大于等值陶瓷电容,因此不适合一些低电流应用。

固态聚合物电解质技术的缺点是此类钽电容对无铅焊接过程中的高温更为敏感,因此制造商通常会规定电容在焊接时不得超过3个焊接周期。组装过程中若忽视此项要求,则可能导致长期稳定性问题。

铝电解电容

传统的铝电解电容往往体积较大、ESR和ESL较高、漏电流相对较高且使用寿命有限(以数千小时计)。而OS-CON电容则采用有机半导体电解质和铝箔阴极,以实现较低的ESR。这类电容虽然与固态聚合物钽电容相关,但实际上要比钽电容早10年或更久。由于不存在液态电解质逐渐变干的问题,OS-CON型电容的使用寿命要比传统的铝电解电容长。大多数电容的工作温度上限为105℃,但现在OS-CON型电容可以在最高125℃的温度范围内工作。

虽然OS-CON型电容的性能要优于传统的铝电解电容,但是与陶瓷电容或固态聚合物钽电容相比,往往体积更大且EsR更高。与固态聚合物钽电容一样,这类电容不受压电效应影响,因此适合低噪声应用。

为LDO电路选择电容

1 输出电容

低压差调节器(LDO)可以与节省空间的小型陶瓷电容配合使用,但前提是这些电容具有低等效串联电阻(ESR);输出电容的ESR会影响LDO控制环路的稳定性。为确保稳定性,建议采用至少1μF且ESR最大为1Ω的电容。

输出电容还会影响调节器对负载电流变化的响应。控制环路的大信号带宽有限,因此输出电容必须提供快速瞬变所需的大多数负载电流。当负载电流以500mA/μs的速率从1mA变为200mA时,1μF电容无法提供足够的电流,因而产生大约80mV的负载瞬态,如图1所示。当电容增加到10μF时,负载瞬态会降至约70mV,如图2所示。当输出电容再次增加并达到20μF时,调节器控制环路可进行跟踪,主动降低负载瞬态,如图3所示。这些示例都采用线性调节器ADP151,其输入和输出电压分别为5V和3.3V。

2 输入旁路电容

在VIN和GND之间连接一个1μ“F电容可以降低电路对PCB布局的敏感性,特别是在长输入走线或高信号源阻抗的情况下。如果输出端上要求使用1μF以上的电容,则应增加输入电容,使之与输出电容匹配。

3 输入和输出电容特性

输入和输出电容必须满足预期工作温度和工作电压下的最小电容要求。陶瓷电容可采用各种各样的电介质制造,温度和电压不同,其特性也不相同。对于5V应用,建议采用电压额定值为6.3~10V的X5R或X7R电介质。Y5V和Z5U电介质的温度和直流偏置特性不佳,因此不适合与LDO一起使用。

图4所示为采用0402封装的1μF、10V X5R电容与偏置电压之间的关系。电容的封装尺寸和电压额定值对其电压稳定性影响极大。一般而言,封装尺寸越大或电压额定值越高,电压稳定性也就越好。X5R电介质的温度变化率在-40~+85℃温度范围内为±15%,与封装或电压额定值没有函数关系。

要确定温度、元件容差和电压范围内的最差情况下电容,可用温度变化率和容差来调整标称电容,见公式1。

CEFF=CBIAS×(1-TVAR)×(1-TOL) (1)

其中,CBIAS是工作电压下的标称电容;TVAR是温度范围内最差情况下的电容变化率(百分率);TOL是最差情况下的元件容差(百分率)。

本例中,X5R电介质在40~+85℃范围内的TVAR为15%;TOL为10%;CBIAS在1.8V时为0.94μF,如图4所示。将这些值代入公式1,即可得出:

CEFF=0.94μF×(1-0.15)×(1-0.1)=0.719μF

铝电解电容范文第7篇

【关键词】液晶电视;电解电容;燃烧;工频电容;开关电源

1.序言

2.铝电解电容器的结构

3.燃烧三要素

对于火源中的第一点:氧化膜绝缘损坏而在工作中产生的火花。学过电子的人都知道“尖端放电”或者“尖端效应”,一旦绝缘皮膜某个地方损坏,该处就容易形成绝缘尖端,也就是该处绝缘最弱,导致不用很高的电压就容易击穿绝缘层而出现打火产生火花,理论上在一个标准大气压下空气的放电电压是1KV/mm(该距离或者电压和当时的湿度、温度等有关),也就是当两点间电压为1KV时,如果其距离小于1mm就会出现放电而产生火花。这里讲的损坏包括滤波剪切不平整以及留有铝屑等。

根据空气放电距离的原理,虽然理论上只要两端间存在电压差且距离一定近时就会出现放电而产生火花,但低压部分要达到这个条件还是非常困难的。在开关电源回路上,电解电容器使用的地方主要时整流滤波回路,主要有初级工频滤波电容器、次级整理滤波电容器以及相关IC工作VCC供电的滤波电容器等。其中只有工频滤波电容器属于高压工作,且其工作时存在的能量也最大,导致燃烧的可能性也最大。故下面就理论上和实际是否可能导致放电等引起火灾进行研究。

4.理论上存在的最高电压

5.试验模拟电路

根据以上的理论分析,在电网等出现异常情况时工频电容器上承受的电压会高达620V,那这么高的电压能导致工频电容器出现异常并产生明火吗?下面将进行相关试验来验证。

6.燃烧试验情况

试验的结果证明了在某些异常高压出现时,电解电容器存在火源,从而会出现异常而产生明火的情况,由于明火的温度高导致塑胶后壳容易发生燃烧。

7.防止电解电容器燃烧导致火灾的对策

另一个是尽量防止异常高压施加到工频电容器上。比如在回路上追加一些侦测回路,一旦出现异常高压时,把后级回路关闭,使得工频电容因为提供极少的能力,其内部温度低,就算出现失效也不会产生明火,从而有效防止出现燃烧的情况,也可以利用继电器把AC输入关断。侦测回路的原理图如图九所示,通过对工频电容器上的电压进行异常高压侦测,当出现异常高压时通过继电器把输入电源关断,实际试验结果如图9所示,当叠加到工频的电容达到570V左右(该电压的高低可以根据需要进行调整设置)时,继电器就会动作,从而关断AC输入,试验结果工频电容只会出现失效而没有明火产生,也是有效果的。该对策除了需要增加一些成本外,需要注意防止侦测回路误动作问题。

再一个就是提升电解电容的特性。根据以上的理论分析,电路出现异常时施加到工频电容器上的电压达到620V左右时相同容易出现的情况,那如果电解电容本身在承受620V左右的电压时不会出现短路打火的情况,理论上也是能有效改善这个问题。有两个方向,一是通过改变电解电容器的结构,使其能承受更高的静电能力,如提高正箔的化成电压、增加化成反应时间,提高铝氧化物的厚度、增加电解液的系数等;另一个是开发采用所谓阻燃电解电容器。阻燃电解电容器和一般品在结构上没有什么区别,主要区别在于其采用的电解液、电解纸、胶盖等都可以达到94-V0的防火等级,在防爆阀打开时不会出现明火的情况。该对策无法由液晶电视机制造厂商单独来实现,需要和电解电容器制造厂家配合,且由于市场需求少、技术要求高、专利限制等因素,这个具有阻燃特性的电解电容器制造厂商少且价格高。

另外由于电解电容器的工艺是电解纸和铆接在导针上的铝箔缠绕在导针上,并用铝壳组装起来,一旦铝壳受外力变形就会损伤到内部素子,而引脚的成型等有可能导致铝箔于导针铆接的地方出现破损等情况,从而导致工频电容器出现不良导致明火发生,故在使用电容器时出现注意成型以及打胶固定。

参考文献

[1]扬蕙夏.浅谈铝电解电容器的燃烧性[J].世界电子元器件,2004(02).

铝电解电容范文第8篇

【关键词】:直流电解电容;交流薄膜电容;老化

0 前言

电容在UPS系统中的应用广泛,大功率电容器主要分为交直流两种,虽然型号众多,但在线式UPS系统中,电容的功能相同的,主要用于整流滤波、稳压等。

在线式UPS的主要部分为:(1)整流器,用于将输入交流变换为直流。(有些设计还会在整流器前增加交流电容器,用于输入端滤波)(2)CB02直流母线电容,在整流器和蓄电池之后,用于维持直流母线电压稳定以及直流滤波。(3)逆变器,用于将直流母线电压逆变成交流输出。(4)CB03输出交流电容,用于输出端滤波。

直流电解电容,介质材料为三氧化二铝,铝箔为电极,用于直流滤波。交流薄膜电容介质材料为聚丙烯,用于交流滤波。如果没有电容滤波,那么UPS系统输出的电能质量会很差,无法满足供电可靠性要求。

1 电容老化击穿事故

直流电容接在整流器输出端正负极间,当电容老化击穿,则直接导致直流正负极短接,造成主回路损毁。因为此处还与蓄电池直连,故障时会直接跳开主回路进线开关和蓄电池进线开关。但此时仍可由静态开关切至旁路运行。

但一些老式的UPS,电容设置在主回路和旁路的总输出回路上,在负载之前,这种设计下,电容短路会导致负载直接失电,且无法切至旁路。

交流电容同样存在这种击穿的可能性,导致交流输出端短路。电容器老化最严重的故障就是上述击穿导致隔直失效,造成正负极极间短路。在UPS历史中,电容击穿导致设备损毁的案例不胜枚举,在排除偶然性故障后,最多的就是因为电容自然老化导致击穿。对电容器这一元件的特性认识不足,导致在预防性维修工作中,没有考虑电容寿期,最终导致巨大损失。

2 电解电容老化的原因分析

交直流电容的老化源于两个基本原理:第一是化学反应,热量和元件内部化学杂质,会导致介质材料的绝缘恶化,例如氧化物,水分,湿气,卤素等等。第二种是漏电,电容介质材料在施加电压后,虽然可以被认为是绝缘的,但仍有微小电流,这种电流即漏电流,这种电流量级非常小,但仍会导致局部热量升高或导致材料电子活跃度增加。漏电流和化学反应都会导致电容容值下降和等效电阻增加。

对于电解电容来说,老化主要源于内部电解质散失,随着电解质减少,电容值减少。工作时内部温度越高,老化过程进行越快,因此,电解电容的老化过程与其内部温度密切相关。除此之外,电容在制造过程中,难免会在内部留存化学杂质。因此,我们目前所使用的电解电容和薄膜电容,都会有这样的老化过程,因此在运行过一段时间后,电容的故障概率会逐渐增大。而且,因为一组电容器通常不止含有一个电容,整租电容中的一个发生击穿,就能导致事故发生。

另外,纹波电流的大小也是造成电容寿命降低的原因之一,由纹波电流产生的热损耗,是影响电解电容器使用寿命的重要因素,当环境温度一定时,在允许的范围内,流过的纹波电流越大,电解电容器使用寿命越短,其原因在于电解电容散热性较差,当纹波电流流过电容器时,在等效串联电阻上将电能转化成热能,因此温度上升,导致寿命降低。

相比较来说,电解电容体积远大于薄膜电容,且在寿命、安全性等方面不如薄膜电容。而且薄膜电容具有耐压高、电流承受能力强、能承受反压而且可以长时间储存等优点,因此在实际应用中,薄膜电容正在逐步替代电解电容。

3 电容寿命的估计

电容器寿命的计算有很多种方法:例如通过计算电解质剩余提交来估算剩余寿命;通过计算电容的等效串联电阻来实现损伤评估;通过计算点解电容核心温度的的理论计算方法,对于使用阿伦尼乌斯方程的电解电容寿命评估方法,并采用参数辨识的方法对电解电容的等效串联电阻进行提取,以之作为估算电解电容损伤;通过直流纹波电压和电流的基波比值,计算等效串联电阻,并在纹波电压和电流中滤除其之路成分,防止负载变化的干扰。

但是由于电容寿命评估只是一个指导原则,且理论计算只是考虑理想运行环境及固有特性前提,因此数据缺乏准确度,在使用量庞大的电容中,无法预知第一个电容会在什么时候出现故障失效,因此需要根据电容寿命的评估,在寿期末定期进行更换,才能确保供电系统安全稳定运行。

对于薄膜电容,尽可能在容值最大损失5%到10%可以进行更换,对铝电解电容最大损失15%-20%来更换,因此,在预计的电容寿期末,需要定期对电容进行测量。除此之外,还要测量等效串联电阻的值,如果该值增加较大,铝电解质电容超过200%,薄膜电容超过100%,就可以进行进一步评估,是否需要更换。

4 总结

铝电解电容范文第9篇

航嘉最近推出了一款高端服务器电源――磐石800,吸引了不少高端用户的眼球。它采用了T1控制芯片和有源箝位技术,有效地提高了电源的转换效率,通过了3C、85Plus和服务器EPS 2.92电源规范,规格比普通电源明显高出一筹。同时,它也是市面上首款采用固态电容和双层PCB板的电源,在稳定性和散热方面有着明显的优势。

航嘉磐石800额定功率为600W,四路+12V输出可以分别达到16A,足以满足IntelXeon四核和AMD皓龙四核等服务器处理器的需求。+5v和+3.3v输出可以分别达到24A,而且支持90V-264v宽幅电压输出。由于采用了T1控制芯片和有源箝位技术,该电源可以支持较高的开关频率,在供电效率方面远高于传统电路,有效地降低了输出电压纹波的产生。正是因为如此,在50%典型负载下它的转换效率高达85%,轻载和满载条件下都超过了82%,符合85Plus标准和EPS 2.92规范,在实现高效输出的同时兼顾了节能的要求。

航嘉磐石800也是电源领域率先采用了固态电容的电源之一。通过我们的了解,电源使用固态电容相对于主板和显卡来说意义更大一些。首先,固态电容几乎永不爆浆。当固态电容遇到高温的时候,电解质只是熔化而不会产生爆炸,保证了使用安全。其次,固态电解电容的ESR(Equivalent Series Resistance,等效串联电阻)比液态铝电解电容小得多,因此在耐纹波电流方面比液态铝电解电容表现更优异。而且固态电容不易受环境温度和湿度的影响,可以实现全天候无休工作,因此很大程度上确保了电源工作稳定和输出特性。最后,固态电容的寿命远远超过普通电容。通常来说,固态电容的寿命比普通电解电容高出60%~300%不等,这无疑也延长了电源的使用寿命,让用户使用更加放心。

除了固态电容之外,航嘉磐:5800电源还创新地采用了双层PCB,抽拉式结构,有效地降低了电源内部元件的密度,减少了单元面积上的元件发热量,散热更快更加均衡。因此,虽然该电源额定功率高达600W,但只采用了8cm风扇就确保了散热,同时也兼顾了静音的要求。接口方面,该电源为用户提供了一个20+4pin电源接口,4个SATA、12个大4pin,2个6+2pin外接电源以及1个8pin服务器电源接口,足以应对服务器扩展的需求。

相信所有的高端服务器用户对电源要求不仅是高功率,节能静音、性能稳定也是非常重要的方面,而航嘉磐石800电源就能很好地满足以上的要求。82%以上的转换效率、静音,更长的使用寿命,强大的扩展能力,航嘉磐:5800无疑很优秀。虽然该电源主要定位于服务器用户,但是这并不意味着与DIY玩家无缘,规格上它同样适合高端DIY玩家组建四核双卡平台的需求。而目前影响玩家购买的因素主要是价格。据悉,该电源的报价大概在800~900元之间,相对普通600W,650W电源700~800元的报价来说很便宜了,毕竟这是一款服务器电源。

铝电解电容范文第10篇

关键词:单端反激,开关电源,NCP1200p100

Abstract: the switching power supply used in variable frequency air conditioner controller, mainly to provide power for the IC and relay controller, as multiple output, and the output power is small, about 10W. Due to cost and size constraints, and the input power is low (less than 100W),so the switch power supply with low price, small size of single end flyback (quasi resonant)topology. Single flyback switching power supply reliability, ripple interference of switching power supply has been greatly improved, and can be poor and radiation response to overcomedisadvantages such as PWM to load transient, high-frequency driving effect, reduce loss,improve efficiency, reduce noise. The main control chip of the switching power supply using NCP1200p100, the peripheral circuit is simple, and the realization of the demagnetization detection, overcurrent protection, overvoltage protection and voltage feedback function.

Keywords: single flyback switching power supply, NCP1200p100,

中图分类号: TG434.1文献标识码:A文章编号:2095-2104(2013)

一、设计目标

1.输入电压:AC198-242V

2.输出电压:DC+12V.电流0.5A;

DC+15V.电流0.4A;

DC+5V. 最大电流2A,最小电流0.5A。

3.效率≥80%

二.电路的整体设计

该开关电源的输出电压及功率均较小,为简化设计和节约设计成本,因此采用电路简单、成本低廉的反激拓扑结构。

图 3-1反激式开关电源基本电路

图 3-1所示为反激式开关电源的基本电路,它由M0S开关管、变压器、整流二极管(D1、D2、D3)、滤波电容(C1、C2、C3、C4)以及由MOS管的节电容和变压器一次绕组的分布电容(Cd)组成。

工作波形如图3-2所示,下面结合波形图分析电路的工作原理。

图 3-2工作波形

T0时刻,MOS管开通。变压器初级电流在输入电压的作用下,线性上升。变压器初级电压感应到次级,整流二极管反向截止。二极管承受反压为:

T1时刻,MOS管关断。 变压器初级电流被强制关断。由于电感电流不能突变,而此时MOS要强制关断初级电流,那么初级电感就会在MOS关断过程中,在初级侧产生一个感应电动势。根据电磁感应定律,可知,这个感应电动势在原理图中是下正上负的。这个感应电动势通过变压器的绕组耦合到次级,由于次级的同名端和初级是相反的。所以次级的感应电动势是上正下负。当次级的感应电动势达到输出电压时,次级整流二极管导通。初级电感在MOS开通时储存的能量,通过磁芯耦合到次级电感,然后通过次级线圈释放到次级输出电容中。在向输出电容中转移能量的过程中,由于次级输出电容容量很大,电压基本不变,所以次级电压被箝位在输出电压Vout,那么因为磁芯绕组电压是按匝数的比例关系,所以此时初级侧的电压也被箝位在Vout/(Ns/Np),这里为了简化分析,我们忽略了二极管的正向导通压降。现在我们引入一个非常重要的概念,反射电压Vf。反射电压Vf就是次级绕组在向次级整流后的输出电容转移能量时,把次级输出电压按照初次级绕组的匝数比关系反射到初级侧绕组的电压,其数值为:

式中,Vd是二极管的正向导通压降。此时MOS的承受的电压为。T2时刻,MOS管再次开通,开始下一个周期。

三.输入电路的设计

1.整流滤波电路的设计

交流整流滤波后的直流电分成两部分供给后续电路,一路供给变频器的IPM模块,设定该模块输出功率为1100W。另一路供给开关电源的一级输入。整流滤波电路采用电容滤波的全桥不可控整流电路。

图 4-1 整流电路

(1)整流器的选择

整流器承受的反向最大电压值为交流电压的峰值:

式中,—最大交流输入电压的有效值(V)

整流器的输出功率:

式中,—变频器的输出功率(w)。

η—变频器的效率,在此取95%。

整流器最小输出电压平均值:

式中,—最小交流输入电压有效值(V)。

——直流纹波与二极管压降之和,取2V。

整流器最大输出电流平均值:

综上所述,考虑峰值浪涌电流的存在以及整流器耐压应留有50%的余量,所以选择耐压

值为600V,额定电流为25A,峰值浪涌电流为350A,正向导通压降为1.1V的D25SB60全桥整流器。

(2)滤波电容的选择

设计要求:输出功率为1100W,最小输入电压198VAC,整流器的输出功率

整流滤波的纹波系数为10%。保证额定输出功率时,最大输入电流

根据公式:

式中,K—纹波系数,取10%。

f—电网频率(Hz)。

或根据经验公式:当输入电压范围在220±10%时,。

因此选用两个630uF/400V的铝电解电容并联,能起到更好的滤波效果。

四.变换器的设计

1.“黑箱”预先估算

(1)最小及最大输入电压

式中,——开关电源的输入最小交流电压。

——开关电源的输入最大交流电压

——直流纹波与二极管压降之和,取2V。

(2)输出功率

输入功率

2.原边绕组计算

(1)原边电流值

(2)确定反激电压

开关管选用IRFUC20,耐压。

反激电压:

式中,150V为给定余量。

(3)计算最大占空比

(4)原边绕组的峰值电流

式中,——变压器输出功率,22W。

——开关电源效率,取80%。

(5)原边绕组最大电感

式中,——开关频率,100KHz。

(6)验证变压器最大连续输出功率能否满足负载所需最大功率

满足要求。

(7)磁芯的选择

式中,——变压器工作是的最大磁密,取0.2T。

J——绕组电流密度,取4A/

——窗口利用率,取典型值0.29。

根据的值选择合适的磁芯,选择EE19型号的磁芯,其参数见表5-1。

表 5-1 EE20磁芯参数

A * B * C(mm) () () ()

20.15*10*5.1 0.15717 31.00 50.70

(8)原边匝数计算

(9)引入气息长度

(10)原边绕组线径的选择

原边绕组有效电流:

=0.21(A)

导线截面积:

式中,J——导线电流密度,取4A/。

导线线径:

3.副边绕组计算

(1) +5V副边绕组计算

副边线径选择

副边有效电流:

导线截面积:

导线线径:

匝数计算:

式中,——整流二极管(肖特基二极管)正向导通压降,0.5V。

(2) +12V输出绕组计算

副边线径选择

副边有效电流:

导线截面积:

导线线径:

匝数计算:

式中,——整流二极管(肖特基二极管)正向导通压降,0.525V。

(3) +15V输出绕组计算

计算步骤及方法同“+12V输出绕组计算”

所以,变压器参数为:原边匝数156匝、线径0.25mm,副边12V输出:匝数11匝、线径0.4mm,副边15V输出:匝数14匝、线径0.35mm,副边5V输出:匝数5匝、线径0.8mm。磁芯采用TDK公司生产的EE20。

五.控制电路的设计

利用NCP1200p100芯片作为控制核心,用PC817和TL431作为开关电源输出电压的采样

控制,输出电压调节采用电位器改变取样回路的上下电阻比值来改变输出电压,该方案电路结构简单,实现方便。

1.控制芯片NCP1200p100

NCP1200p100是安森美公司生产的带准谐振开关能力的脉宽调制(PWM)电流模式控制

器,PWM脉冲频率为100KHz。

NCP1200为8引脚PI封装,引脚功能如表6-1:

表 6-1 NCP1200引脚功能表

2.控制电路功能介绍

图 6-1 控制电路

(1)动态自供电电源

Ucc自供电源是基于储能电容充、放电过程而建立起来的,因此它具有动态变化特性,

并非某一固定电压。即通过Ucc(6引脚)上接的储能电容C9的充、放电来实现,其典型值

为10uF。在上电过程中,Ucc

出脉冲。正常工作后,在Ucc从11.4V下降到9.8V的过程中,高压电流源关断,DRV(5引

脚)端输出脉冲;在Ucc从9.8V上升到11.4V的过程中,高压电流源接通,DRV(5引脚)

端也有输出脉冲。其中稳压管ZD1将电压保证在IC的工作电压范围(40-500V)内,R3起

限流作用。

(2)跳过周期模式

开关电源正常工作时,反馈电压的变化范围是1.4-3.8V(用户自行调节),反馈端

能根据负载的轻重来调节驱动级峰值电流的大小,使开关电源实现稳压输出。

5.2V基准电压源经过内部75.5kΩ和29kΩ电阻分压之后,给跳过周期比较器的同相输

入端提供1.4V的参考电压。当负载非常轻,使

时峰值电流为最小值,并且输出功率越小,所跳过的周期数越多,输出的脉冲数就越小。

本设计中通过1引脚与地之间串联电阻R7将跳过周期阀值电压降低为0.5V,R7阻值计

算:

式中,——设定跳周期阀值电压,

——NCP1200内部分压电阻,分别为29kΩ、75.5kΩ。

所以,计算得出R7=10KΩ。

(3)过电流保护电路

过电流保护电路由电流取样功率电阻R8、开关电流缓冲电阻R5、NCP1200的3引脚组成。R8有两个作用:第一,正常工作时,R8上产生的电压通过R5连接至NCP1200的3引脚。参与NCP1200内部PWM的控制(实际是电流环);第二,当R8上产生的电压超过NCP1200的3引脚的最大门限电压(1V)时,通过3引脚触发NCP1200内部的过电流保护,立即使NCP1200的5引脚输出低电平,有效的保护电路的功率器件。R5还具有在MOSFET开通瞬时,抑制电流的作用。

R8的取值计算:

式中,——NCP1200的3引脚最大门限电压。

——开关管的峰值电流,与变压器一次侧峰值电流相同。

R5的取值计算:

当NCP1200的5引脚为低电平时,NCP1200的3引脚向外输出200uA的电流。这个电流在流过R5、R8时,在R5上产生电压。此电压与在开关管导通瞬间初级电流感应在R8产生的电压叠加,以减小开关电流开通瞬间的峰值。在R5上产生的分压设定为0.2V,所以R5的值为:

3.电压反馈电路的设计

电压反馈电路的组成及原理如图。

图 6-2 电压反馈电路

电压反馈电路由R10、R11、R12、R15、R16、C10、C12、TL431、PC817和NCP1200(2脚)组成。电压反馈电路的作用是对输出电压进行负反馈,使NCP1200的5脚输出驱动信号进行调整,进而调整电源的输出。当输出电压超出额定输出电压时,由R12分的电压变大,即TL431参考端的电压超出其额定参考电压2.5V,则通过TL431的电流变大,促使R10的分压变大,即PC817 的1脚和2脚两端的电压变大,内部光耦产生作用,三极管导通,产生反馈电流,使NCP1200的2脚电压下降。通过NCP1200内部PWM比较器,使NCP1200的5脚输出电压为低电压,则变压器初级绕组的储存能量减小,绕组电压下降,当输出低于额定输出电压时,此时电路的工作方式则相反。

R15为PC817的限流电阻,R10为防止TL431进入死区,C12、R11是为了提高反馈环的响应速度。

六、缓冲电路的设计

1.缓冲电路原理

图 7-1 RCD缓冲电路

由于变压器的初级有漏感,漏感的能量不会通过磁芯耦合到次级。那么当MOSFET关断时,漏感电流也是不能突变的,漏感的电流变化也会产生感应电动势,这个感应电动势因为无法被次级耦合而箝位,电压会冲的很高。那么为了避免MOSFET被电压击穿而损坏,所以要在初级侧加一个RCD吸收缓冲电路,把漏感能量先储存在电容里,然后通过R9消耗掉。当然, R9不仅消耗漏感能量,因为在MOS关断时,所有绕组都共享磁芯中储存的能量。

下面分析其工作原理:

当Q关断时,漏感释放能量、导通、C11上电压瞬间充上去,然后D4截止,C9通过R9放电。

(1)若C11的容值很大,C9上电压缓慢上升次级侧反激过冲小,变压器能量不能迅速传递到次级;

(2)若C11容值特别大,电压峰值小于次级反射电压,则缓冲电容上电压将一直保持在次级反射电压附近,及缓冲电阻变为死负载,一直在消耗磁芯能量;

(3)若R9C11的值太小,C11上电压很快会降到次级反射电压,故在Q开通前,缓冲电阻将成为反激变换器的死负载,消耗变压器的能量,降低效率;

(4)如果R9C11值取的比较合适,使到Q开通时,C11上电压放到接近次级反射电压,到下次导通时,C11上能量恰好可以释放完,这种情况缓冲效果较好,但电容峰值电压大,器件应力高。

2.参数计算

(1)变压器次级侧反射到初级侧的电压,即反激电压;

MOSFET耐压值为600V,稳态时电压应比例为80%;

在计算过程需要测定变压器一次绕组的漏感值,在此给定估算值为3.7uH。

RCD嵌位电压:

RCD的功耗:

电阻取值:

取100kΩ。

电容取值:

式中,0.05——吸收电容电压波动5%。

实际C11=4700pF,与计算值相差很大。

原因:a.给定漏感值的合理性;实际设计时漏感值是实测得到的;

b.计算方法与实际应用的合理性,在实际制作过程中,RCD电路是需要反复调整的。

解决办法:在电路测试时进行调节。测出变压器的漏感,从新计算。

(2)RCD二极管的选择

工作频率为100KHz,所以选择UF系列的快速二极管;耐压选择1KV。

选定二极管型号为UF4007。

七、输出电路的设计

经过变换电路的作用,在变压器的次级需要用二极管进行整流。在整流之后需要进行滤波处理,以提高快关电源的输出电压质量。

该电源为多路输出,由于5V输出的电流相对较大,所以在5V输出电路上采用电压负反馈。

图 8-1输出电路

1.输出整流器的选择

(1)+5V输出电路

二极管耐压值为:

根据以上三个参数选择整流二极管,选用肖特基二极管IN5821,其参数为,最大反向峰值电压30V、最大半波整流电流3A、最大正向峰值浪涌电流75A、最大反向电流2A、正向导通压降0.5V。

(2)+12V输出电路

二极管耐压值为:

峰值电流:

电流有效值:

根据以上三个参数选择整流二极管,选用肖特基二极管IN5822,其参数为,最大反向峰值电压40V、最大半波整流电流3A、最大正向峰值浪涌电流75A、最大反向电流3A、正向导通压降0.525V。

(3)+15V输出电路

计算方法同“+12V输出电路”计算。

根据计算结果选择整流二极管,选用肖特基二极管SR150,其参数为,最大反向峰值电压50V、最大半波整流电流1A、最大正向峰值浪涌电流30A、最大反向电流1A、正向导通压降0.7V。

2.输出滤波电路的设计

由于+5V输出的电流较大,所以在电容滤波的后级又增加了LC滤波器,以减少输出纹波电压。滤波电感L1选用被称作“磁珠”的3.3uH穿心电感,可滤除D3在反向恢复过程中产生的开关噪声。+12V和+15V两路输出只需在输出端分别加上滤波电容即可。安规电容CY1起抑制共模干扰作用。

(1)+5V输出滤波元件参数的选择

图8-2 +5V输出电路

a.滤波电容的选择

输出滤波电容器的选择是根据整流输出纹波电流的值而定,输出整流纹波电流为:

计算 +5V输出电流的纹波电流值为

470uF/35V的铝电解电容在105℃时的耐100KHz电流纹波电流能力为1.36A,所以选用两只470uF/35V的铝电解电容并联。

由于铝电解电容无法吸收加在两端的高频电流分量,用0.01-0.1uF的陶瓷电容就可以达到这个目的,此处取C22=0.1uF。

b.滤波电感的选择

输出滤波电感可有一下公式计算:

此处选择L2=3.3uH的磁珠。

c.R18与C22构成缓冲电路,原理同图7-1,用于吸收变压器二次侧漏感产生的电压尖峰。

(2)+12V输出滤波元件参数的选择

图8-3 +12V输出电路

a.滤波电容的选择

输出滤波电容器的选择是根据整流输出纹波电流的值而定,输出整流纹波电流为:

计算 +12V输出电流的纹波电流值为

470uF/35V的铝电解电容在105℃时的耐100KHz电流纹波电流能力为1.36A,所以选用一只470uF/35V的铝电解电容即可。

由于铝电解电容无法吸收加在两端的高频电流分量,用0.01-0.1uF的陶瓷电容就可以达到这个目的,此处取C14=0.1uF。

(3)+15V输出滤波元件参数的选择

电路及元器件选择计算同“+12V输出滤波元件参数的选择”。

470uF/35V的铝电解电容在105℃时的耐100KHz电流纹波电流能力为1.36A,所以选用一只470uF/35V的铝电解电容即可。

由于铝电解电容无法吸收加在两端的高频电流分量,用0.01-0.1uF的陶瓷电容就可以达到这个目的,此处取C17=0.1uF。

3.输出RC缓冲电路的设计

(1)输出RC缓冲电路的作用

a. 衰减次级漏感与整流二极管的振荡,即降低或消除电压、电流尖峰;

b.限制di/dt或dV/dt;

c. 防止开关管开通时次级二极管的瞬间电压超过最大值,有保护肖特基二极管及减少EMI的作用。

d.使系统运行在安全操作区内

(2) RC电路参数选择

在二极管上并联的RC,其取值要经过反复试验才能确定。如果选用不当,反而会造成更严重的震荡。电阻一般取10-100Ω,电容取4.7pF-2.2nF(2200pF)。

在此取R13=R14=47Ω,C13=C16=1000pF。具体取值还需试验进一步确定。

八.完整电路图及工作过程

1.开关电源完整电路图

九、总结

从开关电源拓扑结构的确定到每个电气元件的选型都认真的分析和计算过,对于反激单端开关电源,在设计过程中有很多需要注意的地方:

1.反激式开关电源用到的元器件较少,但其原理较为复杂;成本相对较低,但受到输出功率的限制,一般在100W以内。

2.反激式开关电源变压器与正激开关电源的变压器(真正意义上的变压器)有本质上的区别,反激式开关电源的变压器实际上只是一个储能和传递能量的元件,相当于一个耦合电感;它的输出电压与输入电压不存在匝比的关系(不包括整流管的压降)。反激式开关电源的变压器一般都称作为变换器,其意义也许就在于此吧(个人所见)。

3.反激式开关变换器的计算有很多方法,根据不同的方法计算出的结果也是不相同的,但对最终的实现是没有影响的,只要按照各方法的要求去设计即可。

4.反激式开关电源的设计难点在于缓冲电路的设计,若缓冲电路设计的过低,会直接影响输出信号的品质,还可能烧毁开关管;若设计的过高会影响电源的效率。缓冲电路的设计是需要通过实验反复调试的,而不是靠单纯的理论计算就能确定参数的。

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