摘 要： 电解电容器是电源滤波电路的关键元件，除了容量和耐压外尚有介质损耗、漏电流等重要参数。在串联稳压电路和开关稳压电路中，大容量电容能提供更平滑的输出电流。 关键词： 电解电容 滤波电路 开关电源 在电子设备中，电容器被广泛运用：诸如滤波、退耦、高频补偿、提供交流反馈、隔阻直流、抑制密勒效应，等等。交流电经过二极管整流后，为了获得较低的波纹电压、还需经电容器滤波后才能使用。一般地说，大容量的滤波电容器可以提供更平滑的输出电流。但理论和实践可以证明，当电容量达到一定值后，即使再加大电容量对优化滤波效果也无明显作用，应当根据负载电阻和输出电流的大小来选择最佳的电容量。滤波回路应用最多的是铝电解电容器。现在电子设备中常用有两类稳压电源，串联稳压电路和开关稳压电路。这两种电源电路对输出滤波电容器有不同的要求。 一、电解电容器的基本性能 电解电容器有多种性能参数。在它封装外壳上一般有容量标示，指静电容量及耐压标示，指工作电压或额定电压。 工作电压为绝对安全值；如果工作时的峰值电压超过这个电压值就可能使此电容器损坏。根据国际IEC384-4规定，低于315V时，Vs=1.15×Vr；高于315V时，Vs=1.1Vr。Vs为峰值电压，Vr为额定电压。 除了静电容量及工作耐压两个参数外，有关电源滤波电容器的参数还有：容量误差、工作温度，等等。反映电容器物理性能的特性参数有以下几个。 1.介质损耗 绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗，也叫介质损失。在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角（功率因数角Φ）的余角δ。电容器在电场作用下，在单位时间内因发热所消耗的能量叫做损耗。各类电容都规定了其在某频率范围内的损耗允许值，在交变电场的作用下，电容的损耗不仅与漏导有关，而且与周期性的极化建立过程有关。随着频率的上升，电解电容器的介质损耗呈现增大的趋势，介质损耗大的电容器在高频下工作更易发热。 2.漏电流 铝电解电容在工作时一定会产生漏电流。漏电流的计算公式大致是：I=KCV。漏电流I的单位是μΑ，K是常数，由于制造标准不同大约在0.001到0.03之间。同一品牌的电容器，容量愈高，漏电流就愈大。在要求比较高的工作场合，漏电流应予考虑。显然降低实际工作电压可减少漏电流，也就是适当提高所用电容的耐压值。相同容量和耐压的铝电解电容的漏电流比钽电解电容高许多。 3.等效串联电阻 电容器会因其构造而产生各种阻抗、感抗，比较重要的就是ESR等效串联电阻及ESL等效串联电感――这就是容抗的基础。ESR与电容器的容量、电压、频率及温度等因素有关。当额定电压固定时，容量愈大ESR愈低。用多个小电容并接成一个大电容可降低阻抗，其理论根据是电阻并联阻值降低。反过来说，当容量固定时，选用高额电压的品种也能降低ESR；工作频率对ESR也有影响：低频时ESR高，高频时ESR低；此外，高温也会造成ESR的升高。 二、简单电路中滤波电容值的计算 在滤波电路中，输入电压为正弦交流电220V，50Hz。在电容的充电过程中，二极管等效电阻为R，得 将其包含表达式并整理得： U′（t）+U（t）=U（5） 这是一阶非齐次微分方程，其解为： U（t）=U（t）+U（t）=U（t）=e+cos?�t+sin（?�t） 在电容的放电过程中，电容只和电阻组成回路，其放电方程为： U（t）=Ue（6） 其中，U为电容充电时达到的最大电压。 一般地，只要简单估算就能达到实际应用的要求。电容的选择应满足下式： RC?垌（7） F=100Hz。也可将上式写成： C?垌（8） 在（8）式中我们可以看到在简单的整流电路中，滤波电容器的容量大小和电源频率成反比，和电路负载电阻成反比。具体数值可取（8）式右边的5―10倍。在电源频率一定的情况下，负载电阻越小，即负载越大，滤波电容的容量应该越大。显然，如果提高电源频率，也可减小滤波电容的容量。 三、开关电源输出滤波电容的计算 由于开关电源输出电压是脉冲波形，必须有LC滤波器和续流二极管D才能得到平滑的直流输出电压。在简单的计算中可忽略开关管、续流二极管，以及滤波电感器的压降和损耗。 续流二极管D上的反向电压U等于U。电感L上的电压为： U-U=Ldi/dt（9） 开关管截至时，二极管因正向导通u=0，使开关管集电极电位U=0，电感L上的电压为： -U=Ldi/dt（10） 可以认为在一个开关周期中，U和U都是不变的，则由上两式可知通过电感L的电流i是线性地增长和减小的。其平均值为I。 二极管D的反向电压U、电感L两端电压u、通过电感的电流I及输出电压u的波形。当时间变化t/2时，电感L中电流变化Vi，由式（10）可得： L=•（11） 考虑到U=Ut/T=d•U，式中T=t+t是开关周期，t是导通期，t是截止期。d=t/T是脉冲占空系数。式（11）可写为： L=（1-d）（12） 为保证电感电流i不出现截止，应有VI≤I。通常把出现电流截止条件VI=I时的电感值称为临界电感： L=R（1-d）2f（13） 式中，R=U/I是负载电阻。为可靠防止电流截止，选L=2L。 图2中在电感中电流超过平均电流I的T/2期间，过量的电流使电容C充电。输出电压u由最小值变化为最大值，总变化量为2VU。则在T/2时间中流过电感的总电量： VI=2VUC（14） 将式（12）和（13）代入式（14），求得开关电源输出滤波电容为： C=（15） 从式（15）可以看出，开关电源的工作频率越高，滤波单元的电感器的电感值和电容器的容量就可以越小。现在开关电源的频率随着原件和磁性材料的改进而提高，已超过了100KHz，从而使开关电源的重量和尺寸变得更小。
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摘 要： 电解电容器是电源滤波电路的关键元件，除了容量和耐压外尚有介质损耗、漏电流等重要参数。在串联稳压电路和开关稳压电路中，大容量电容能提供更平滑的输出电流。 关键词： 电解电容 滤波电路 开关电源 在电子设备中，电容器被广泛运用：诸如滤波、退耦、高频补偿、提供交流反馈、隔阻直流、抑制密勒效应，等等。交流电经过二极管整流后，为了获得较低的波纹电压、还需经电容器滤波后才能使用。一般地说，大容量的滤波电容器可以提供更平滑的输出电流。但理论和实践可以证明，当电容量达到一定值后，即使再加大电容量对优化滤波效果也无明显作用，应当根据负载电阻和输出电流的大小来选择最佳的电容量。滤波回路应用最多的是铝电解电容器。现在电子设备中常用有两类稳压电源，串联稳压电路和开关稳压电路。这两种电源电路对输出滤波电容器有不同的要求。 一、电解电容器的基本性能 电解电容器有多种性能参数。在它封装外壳上一般有容量标示，指静电容量及耐压标示，指工作电压或额定电压。 工作电压为绝对安全值；如果工作时的峰值电压超过这个电压值就可能使此电容器损坏。根据国际IEC384-4规定，低于315V时，Vs=1.15×Vr；高于315V时，Vs=1.1Vr。Vs为峰值电压，Vr为额定电压。 除了静电容量及工作耐压两个参数外，有关电源滤波电容器的参数还有：容量误差、工作温度，等等。反映电容器物理性能的特性参数有以下几个。 1.介质损耗 绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗，也叫介质损失。在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角（功率因数角Φ）的余角δ。电容器在电场作用下，在单位时间内因发热所消耗的能量叫做损耗。各类电容都规定了其在某频率范围内的损耗允许值，在交变电场的作用下，电容的损耗不仅与漏导有关，而且与周期性的极化建立过程有关。随着频率的上升，电解电容器的介质损耗呈现增大的趋势，介质损耗大的电容器在高频下工作更易发热。 2.漏电流 铝电解电容在工作时一定会产生漏电流。漏电流的计算公式大致是：I=KCV。漏电流I的单位是μΑ，K是常数，由于制造标准不同大约在0.001到0.03之间。同一品牌的电容器，容量愈高，漏电流就愈大。在要求比较高的工作场合，漏电流应予考虑。显然降低实际工作电压可减少漏电流，也就是适当提高所用电容的耐压值。相同容量和耐压的铝电解电容的漏电流比钽电解电容高许多。 3.等效串联电阻 电容器会因其构造而产生各种阻抗、感抗，比较重要的就是ESR等效串联电阻及ESL等效串联电感――这就是容抗的基础。ESR与电容器的容量、电压、频率及温度等因素有关。当额定电压固定时，容量愈大ESR愈低。用多个小电容并接成一个大电容可降低阻抗，其理论根据是电阻并联阻值降低。反过来说，当容量固定时，选用高额电压的品种也能降低ESR；工作频率对ESR也有影响：低频时ESR高，高频时ESR低；此外，高温也会造成ESR的升高。 二、简单电路中滤波电容值的计算 在滤波电路中，输入电压为正弦交流电220V，50Hz。在电容的充电过程中，二极管等效电阻为R，得 将其包含表达式并整理得： U′（t）+U（t）=U（5） 这是一阶非齐次微分方程，其解为： U（t）=U（t）+U（t）=U（t）=e+cos?�t+sin（?�t） 在电容的放电过程中，电容只和电阻组成回路，其放电方程为： U（t）=Ue（6） 其中，U为电容充电时达到的最大电压。 一般地，只要简单估算就能达到实际应用的要求。电容的选择应满足下式： RC?垌（7） F=100Hz。也可将上式写成： C?垌（8） 在（8）式中我们可以看到在简单的整流电路中，滤波电容器的容量大小和电源频率成反比，和电路负载电阻成反比。具体数值可取（8）式右边的5―10倍。在电源频率一定的情况下，负载电阻越小，即负载越大，滤波电容的容量应该越大。显然，如果提高电源频率，也可减小滤波电容的容量。 三、开关电源输出滤波电容的计算 由于开关电源输出电压是脉冲波形，必须有LC滤波器和续流二极管D才能得到平滑的直流输出电压。在简单的计算中可忽略开关管、续流二极管，以及滤波电感器的压降和损耗。 续流二极管D上的反向电压U等于U。电感L上的电压为： U-U=Ldi/dt（9） 开关管截至时，二极管因正向导通u=0，使开关管集电极电位U=0，电感L上的电压为： -U=Ldi/dt（10） 可以认为在一个开关周期中，U和U都是不变的，则由上两式可知通过电感L的电流i是线性地增长和减小的。其平均值为I。 二极管D的反向电压U、电感L两端电压u、通过电感的电流I及输出电压u的波形。当时间变化t/2时，电感L中电流变化Vi，由式（10）可得： L=•（11） 考虑到U=Ut/T=d•U，式中T=t+t是开关周期，t是导通期，t是截止期。d=t/T是脉冲占空系数。式（11）可写为： L=（1-d）（12） 为保证电感电流i不出现截止，应有VI≤I。通常把出现电流截止条件VI=I时的电感值称为临界电感： L=R（1-d）2f（13） 式中，R=U/I是负载电阻。为可靠防止电流截止，选L=2L。 图2中在电感中电流超过平均电流I的T/2期间，过量的电流使电容C充电。输出电压u由最小值变化为最大值，总变化量为2VU。则在T/2时间中流过电感的总电量： VI=2VUC（14） 将式（12）和（13）代入式（14），求得开关电源输出滤波电容为： C=（15） 从式（15）可以看出，开关电源的工作频率越高，滤波单元的电感器的电感值和电容器的容量就可以越小。现在开关电源的频率随着原件和磁性材料的改进而提高，已超过了100KHz，从而使开关电源的重量和尺寸变得更小。
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