大容量陶瓷電容器在高頻整流濾波中的應(yīng)用

1、大容量陶瓷電容器在高頻整流濾波中的應(yīng)用陳永真1 李麗2遼寧工業(yè)大學(xué)1 遼寧石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院2cyz_cbl摘要 本文首先分析了電解電容器在高頻整流濾波電路中存在的問題，其最主要的原因時(shí)由于電解電容器的比較高的ESR，當(dāng)紋波電流流過這個(gè)ESR時(shí)將產(chǎn)生比較大的紋波電壓，使濾波效果變差；分析了采用電解電容器與小容量陶瓷電容器并聯(lián)緩解電解電容器高頻特性不佳的效果；分析了陶瓷電容器的低ESR特性給高頻整流濾波所帶來(lái)的性能改善。最后給出大容量陶瓷電容器對(duì)高頻整流濾波的改善效果。關(guān)鍵詞 陶瓷電容器 紋波電流 ESRThe application of High Capacity Ceramic capaci

2、tor tosmoothing/filtering in high frequencyChen Yongzhen1 Wang Lili2LiaoNing University of Technology Liaoning Petro -Chemical Vocational Technology Collegecyz_cblAbstract：In this paper, the author describes the disadvantages of Electrolytic capacitor to filtering and rectifying in high frequency, t

3、he most important problem is the higher ESR of Electrolytic capacitor, the ripple Current via through the ESR will generate the higher ripple Voltage, the effect of rectifying becomes bad; analyses the effect of Electrolytic capacitor in high frequency is not well when Electrolytic capacitor and sma

4、ll Capacity Ceramic capacitor parallel connection, introduces 12the improvements of filtering and rectifying in high frequency by lower ESR of Ceramic capacitor. In the end, an application example is put forward.Key words：Ceramic capacitor ripple current ESR1電解電容器在應(yīng)用中的問題各類電解電容器在電子線路中有著重要的地位。例如在工頻整流濾

5、波的應(yīng)用中，鋁電解電容器應(yīng)該是不可替代的，特別是100V以上的工頻整流濾波時(shí)。在這種工作狀態(tài)下需要的是大電容量以盡可能減小工頻容抗，以便更好的將工頻紋波和由此產(chǎn)生的高次諧波濾除。不僅如此，在工頻整流濾波的電容器還起到儲(chǔ)能作用，因?yàn)樵陔娙葺斎胧綖V波時(shí)，整流器在每半個(gè)電源周期僅導(dǎo)通23mS，其余78mS負(fù)載需要的電能又濾波電容器提供，低壓整流往往需要數(shù)千甚至數(shù)十萬(wàn)F，220V或380V電源直接整流的高壓整流也需要數(shù)百甚至數(shù)千F，這也是需要大電容量電容器的原因，這時(shí)鋁電解電容器的作用將是不可替代的。隨著陶瓷電容器技術(shù)的不斷革新，大容量、小體積的陶瓷貼片電容器的問世，電解電容器的地位在不斷地經(jīng)受挑戰(zhàn)。

6、在高頻整流濾波領(lǐng)域，陶瓷電容器將逐漸替代各類電解電容器。其最主要原因是陶瓷電容器在性能上已經(jīng)全面超過各類電解電容器，在性能價(jià)格比上已經(jīng)開始超過鋁電解電容器在高頻整流濾波應(yīng)用時(shí)，電解電容器最大的問題就是等效串聯(lián)電阻（ESR）比較高，導(dǎo)致高頻整流濾波效果不佳。如100kHz或100kHz以上的開關(guān)功率變換時(shí)的高頻整流濾波時(shí)，電容器的容抗就已經(jīng)很小了。如100F的電容量在100kHz時(shí)的容抗為15.9m，而普通的鋁電解電容器100F/25V的ESR約12；低ESR的100F/25V鋁電解電容器的最低的ESR約400m、1000F的低ESR鋁電解電容器的ESR為70 m；100F的標(biāo)準(zhǔn)鉭電解電容器的最

7、低的ESR約250 m，即使是超低ESR鉭電解電容器的最低的ESR也約為0.06；鋁聚合物電解電容器的最低的ESR也至少在20m以上上述各種電解電容器的ESR都比15.9m高。在這種狀態(tài)下，對(duì)于電解電容器來(lái)說，在這樣高的頻率下與其說是電容器不如說更像一個(gè)電阻。為了改善濾波電路的高頻特性。通常將一個(gè)100F的鋁電解電容器于一個(gè)1F的陶瓷電容器并聯(lián)的阻抗特性如圖1。左圖為常溫下的特性曲線，由圖為-25時(shí)特性曲線。圖中的粗實(shí)線為連個(gè)電容器并聯(lián)后的阻抗頻率特性曲線，圖中左邊的細(xì)線為陶瓷電容器的阻抗頻率特性曲線，右邊的細(xì)線為電解電容器的阻抗頻率特性曲線。從圖中可以看到電容量大的電解電容器在低頻段有很低的

8、阻抗，陶瓷電容器可以在電解電容器力不能及的頻段由較低的阻抗，二者結(jié)合可以在很寬的頻段上獲得理想的低阻抗。在圖1中還可以看到，在鋁電解電容器的諧振頻率與陶瓷電容器的諧振頻率之間還是存在比較高的阻抗，其主要原因是鋁電解電容器的ESR比較高，因此，濾波效果還是不理想，通常要采用很多RC緩沖電路或其他不利于提高開關(guān)電源效率和復(fù)雜性的措施。不僅如此，陶瓷電容器的體積非常小，0.1F1F電容量的引線式陶瓷電容器的焊盤間距僅0.2英寸，0805封裝的貼片電容器更小，焊接尺寸僅2mm，在印制電路板的排布元件和布線是很容易做的。在比較低的開關(guān)頻率時(shí)，陶瓷電容器的電容量就顯得太小了。這時(shí)，如果采用低ESR電解電容

9、器于大電容量陶瓷電容器相并聯(lián)可以獲得在20kHz以上5MHz以下的頻帶內(nèi)的低阻抗。這樣陶瓷電容器對(duì)高頻整流濾波效果改善就將是明顯的。在實(shí)際上，一個(gè)好的大容量的電容器的濾除高頻溫波的能力是相當(dāng)好的（ESR可以低于數(shù)十毫歐姆，寄生電感也可以低于數(shù)納亨利）。這樣，通常說的大電容器濾低頻，小電容器濾高頻的“說法”將不適用，這種說法只不過在一般應(yīng)用中習(xí)慣用頻率特性很差的普通鋁電解電容器而造成的一個(gè)誤解。隨著大容量陶瓷電容器的逐漸普遍應(yīng)用，如果將一個(gè)100F的陶瓷電容器與一個(gè)1F的陶瓷電容器并聯(lián)，其效果將會(huì)更好。例如在市場(chǎng)上已經(jīng)很容易見到的10F陶瓷電容器的尺寸僅僅為1206（3mm1.5mm）。其ESR

10、僅為0.003（即3m）明顯低于100F（15.9m）的容抗，這時(shí)電容器的作用還是起絕對(duì)主導(dǎo)作用。而對(duì)于100kHz的方波中的3次、5次7次等其容抗相應(yīng)的降低到53 m、32 m、23 m，還是容性特性。如果選用更大電容量的陶瓷電容器（如10F、22F、47F甚至是100F、200F）則完全可以替代鉭電解電容器。在高頻大功率電路的旁路電容器將需要旁路較大的由負(fù)載造成的“高頻交流”負(fù)載電流，因此不僅需要旁路電容器具有低的ESR，而且，還需要更低的ESL。在眾多的封裝中，表面貼裝元件的ESL最低，僅幾個(gè)納亨利。2大容量陶瓷電容器在高頻整流濾波中的應(yīng)用比較科學(xué)的選擇高頻整流濾波電容器是根據(jù)濾波電容器

11、所允許的紋波電流，而紋波電流允許值在絕大多數(shù)情況下由其ESR決定（p=i2rESR），對(duì)于相同尺寸的封裝在允許的溫升相同時(shí)，ESR越小允許的紋波電流值越大，如標(biāo)準(zhǔn)鉭電解電容器的最小ESR為250 m，而大電容量的陶瓷電容器的ESR一般在1030 m，這樣陶瓷電容器的允許的紋波電流將是標(biāo)準(zhǔn)鉭電解電容1/21/2器的1030倍，即3.165.47倍。標(biāo)準(zhǔn)鉭電解電容器的允許紋波電流為0.66A，則陶瓷電容器允許的紋波電流將可以達(dá)到其對(duì)應(yīng)的倍數(shù)2.08A和3.6A。3測(cè)試結(jié)果國(guó)產(chǎn)火炬電容器給出的兩個(gè)測(cè)試結(jié)果為：一DC/DC變換器：5V輸入、12V輸出、開關(guān)頻率450kHz、輸入電流0.34A、輸出電流

12、0.12A。實(shí)驗(yàn)電路如圖2，在DC/DC變換器的電源輸入端分別并聯(lián)100F鋁電解電容器、33F鉭電解電容器和4.7F陶瓷電容器。在DC/DC變換器的輸入端測(cè)試紋波電壓與紋波電流，其結(jié)果如表1：表1 各種電容器在輸入濾波中的作用這個(gè)測(cè)試結(jié)果表明，大電容量的陶瓷電容器用在高頻整流濾波應(yīng)用中是有效的，在頻率在300kHz以上時(shí)尤為有效。大電容量的陶瓷電容器對(duì)瞬變負(fù)載所造成的電源電壓瞬變有很好的抑制作用。測(cè)試電路如圖3，從電源到負(fù)載（即測(cè)試點(diǎn)）的導(dǎo)線長(zhǎng)度為40Cm，這個(gè)長(zhǎng)度在電源電路與負(fù)載電路之間是常見的，相當(dāng)于在電源與負(fù)載間串入一個(gè)至少100nH的電感。這個(gè)“串入”的電感將對(duì)負(fù)載側(cè)的電源電壓有何大影

13、響。測(cè)試結(jié)果如圖4。在沒有電容器時(shí)的測(cè)試點(diǎn)的電壓紋波峰峰值達(dá)2.6VP-P，這個(gè)峰峰值電壓對(duì)數(shù)字電路來(lái)說將會(huì)出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤，計(jì)算機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)程序錯(cuò)誤甚至?xí)罊C(jī)；接入電容器或，由于負(fù)載的瞬變而造成的電源變化會(huì)得到有效的抑制。在負(fù)載的電源端47F鋁電解電容器后，紋波電壓峰峰值為25mVP-P；接入10F鉭電解電容器后，紋波電壓峰峰值為25mVP-P；而接入4.7F陶瓷電容器時(shí)的紋波電壓降低到約5mV，很明顯陶瓷電容器在三種電容器中是最有效的也是電容量最小的。4大容量陶瓷電容器的特殊要求如果大電容量的陶瓷電容器在高頻整流濾波與超低ESR的鉭電解電容器和聚合物電解電容器（最低的ESR可以達(dá)到5m）相比較

14、的話，如果還能具有上述測(cè)試結(jié)果的話，將具有更廣泛應(yīng)用。為了獲得更高電容量和更低的ESR，還可以將數(shù)只陶瓷貼片電容器組合到一起，如圖5。這樣一只22F的陶瓷貼片電容器的ESR約10m，如三只并聯(lián)可以獲得28F的電容量，同時(shí)ESR可以下降到3.5m以下，遠(yuǎn)低于單只68F的10m，同樣更多的陶瓷貼片電容器單體組合到一起（無(wú)論是已經(jīng)組合好的產(chǎn)品，還是應(yīng)用者的后開的組合）都可以既增大了電容量又大大降低了ESR，兩個(gè)方面都是高頻整流濾波所需要的性能。多個(gè)并聯(lián)的陶瓷電容器形式還有另一個(gè)好處就是單只大容量陶瓷電容器的封裝可能很大，在焊接或應(yīng)用在高低溫循環(huán)時(shí)，會(huì)因?yàn)樘沾呻娙萜鞯臒崤蛎浵禂?shù)與電路板的板基的熱膨脹系

15、數(shù)不同而導(dǎo)致陶瓷電容器的斷裂，采用多只并聯(lián)后不僅可以使電容器的尺寸減小，而且引腳還可以緩沖由于熱循環(huán)所導(dǎo)致的熱應(yīng)力對(duì)陶瓷電容器的損傷。結(jié)論一般的IC應(yīng)用指南上，對(duì)于性能要求比較高的地方，旁路電容器多推薦使用鉭電解電容器。實(shí)際上，相對(duì)而言，鉭電解電容器在比較高的溫度下具有比鋁電解電容器更長(zhǎng)的壽命。但是鉭電解電容器有著幾個(gè)致命的弱點(diǎn)影響著鉭電解電容器的可靠性。首先，鉭電解電容器在高溫工作條件下必須降低電壓額定定使用，甚至在85時(shí)要將使用電壓降低到額定電壓標(biāo)稱值的三分之一；其次，鉭電解電容器可以承受的紋波電流值有限，在具有比較大的沖擊電流或紋波電流時(shí)，鉭電解電容器的生產(chǎn)廠家的注意事項(xiàng)中經(jīng)常告誡要將鉭電解電容器串聯(lián)一個(gè)適當(dāng)電阻，以降低流過鉭電解電容器的紋波電流。但是在事實(shí)上，電容器的作用之一就是要低阻抗，以盡可能的分流紋波電流到電容器上，串聯(lián)電阻就違背了這個(gè)功能的基本要求；第三，相對(duì)鋁電解電容、器陶瓷電容器和薄膜電容器，鉭電解電容器的抗過電壓性能最差，而且，一旦被過電壓所擊穿，將不可恢復(fù)，盡管鉭電解電容器具有所謂的自愈特性，但是事實(shí)上通常在沖擊性過電壓擊穿后由于擊穿區(qū)域比較大而不能自愈，因此而爆掉。由于鉭電解電容器的上述需要注意的事項(xiàng)，鉭電解電容