开关电源对电解电容器性能的基本要求

      摘  要：随着开关电源设备小型化、轻便化和集成电路的迅猛发展，本文分析了开关电源的发展对作为构成开关电源的重要元件电解电容器性能的要求，即也必须实现小型化、高频低阻抗化、长寿命化和耐纹波电流。

      关键词：开关电源；电解电容器；低阻抗；长寿命
      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
      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理想电容器与寄生电感、等效串联电阻的串联，如图1所示。

  
图1 电解电容器的等效电路

      众所周知，开关电源是当今信息家电设备的主要电源，为电子设备小型轻便化作出不可磨灭的贡献。开关电源不断的小型化、轻量化和高效率，在电子设备中使用量越来越大，普及率越来越高。相应的就要求电解电容器小型大容量化，耐纹波电流，高频低阻抗化，高温度长寿命化和更适应高密度组装。
      1 大容量、小体积
      由于电解电容器多数采用卷绕结构，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，有必要寻求新的解决办法，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，则铝电解电容器的使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，导致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。为了解决这些难题，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。
      2 高温、长寿命化
      在开关电源设计过程中，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，迄今使用的最为广泛。但是, 最近几年却发生了显著变化，避免使用铝电解电容的情况正在增加。
出现这种变化的一个原因是，铝电解电容的寿命往往会成为整个设备的薄弱环节。电源模块制造厂家的工程师表示：“对于铝电解电容这种寿命有限的元件，如果可以不用, 就尽量不要采用。”因为铝电解电容内部的电解液会蒸发或产生化学变化，导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℃时已经损坏，如：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，寿命仍然为10000h，但是如果温度上升到95℃时，电解电容器即已经损坏。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，甚至损坏设备和仪器。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。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损坏。所以，电解电容器有它的安全工作区，对于一般应用，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 EPCOS的B43564铝电解电容器的寿命与温度、纹波电流的关系

      3 高频低阻抗化
      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高电容量为主，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，它的要求和低频应用时不同，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性，如图3所示。

 
图3 某47μF/350V铝电解电容器的阻抗频率特性

      由图可知，随着频率的升高，容抗下降、感抗上升，容抗等于感抗并相互抵消时的频率为铝电解电容器的谐振频率，这时的阻抗最低，仅剩下ESR。如果ESR为零，则这时的阻抗也为零；频率继续上升，感抗开始大于容抗，当感抗接近于ESR时，阻抗频率特性开始上升，呈感性，从这个频率开始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，无法满足开关电源使用要求。
      用于开关稳压电源输出整流的电解电容器，要求其阻抗频率特性在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。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高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。
      4 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，进而缩短使用寿命。
从特性曲线中（图2）可以看到，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，因而随着纹波电流的增加，小时寿命曲线类似于抛物线函数曲线。降低纹波电流的方法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
电路拓扑 反激式全电压范围电流断续 反激式全电压范围，低压电流连续 反激式220V输入电流断续 单端正激占空比0.4 推挽、全桥、半桥占空比0.8

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

      就平板电视来说，为了能承受大电流，就需要进一步降低电容的ESR。其原因是，在数字设备中，随着功能的增加，电路的电流有越来越大的趋势。
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。据有关人士预测称，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5A 左右，而且在2008 年前后将会达到8A~9A。
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，有可能成为推进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比较小的品, 其ESR大约是一般产品的1/2~1/3。
      5 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应用于各种通信设备、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，就会导致开关稳压电源的故障。
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。其中击穿失效又分为介质击穿和热击穿，对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；电腐蚀导致铝引出条断裂和电容器芯子干涸，使开关稳压电源用铝电解电容器开路失效的主要失效模式；漏液是开关稳压电源用铝电解电容器常见的失效模式，由于使用环境及工作状态较严酷，常发生漏液失效；开关稳压电源用铝电解电容器在使用中最常见的失效模式是电容量减少、漏电流增大及损耗角正切值增大。
      6 结束语
      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，越来越要求电解电容器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发展方向。
      小型化、大容量化的电容器可以通过使用铌、钛等新型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。
      在发展日新月异的信息技术领域，电容器将始终是关键元件之一，我们将应用新技术、新材料不断地开发出顺应信息时代需求的高性能电容器。