開關(guān)電源的元件選擇

開關(guān)電源的元件選擇第1頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一2主要內(nèi)容電阻器電容器光耦運算放大器比較器保險絲第2頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一3電阻器(1)-基本知識定義：R＝U/I電阻器類型：碳質(zhì)電阻，碳膜電阻，金屬化電阻，金屬氧化膜電阻，貼片電阻，線繞電阻，溫度電阻（NTC，PTC），取樣電阻，壓敏電阻等.

電阻值與公差電阻值與公差

電阻標稱值按10進對數(shù)分割，根據(jù)公差不同分為E48，E24，E12和E6等。公差為1%，5%，10%和20%等。以5%為例，E24的標稱值為

1,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.8,2.0,2.2,2.4,2.7,3.0,3.3,3.9,4.3,4.7,5.1,5.6,6.2,6.8,7.5,8.2,9.1第3頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一4電阻(2)－定額定額

標稱值-不能任意取

額定功率P＝I2R,I－有效值。實際上還是允許溫升決定功率損耗。例如線繞電阻可達270?C

額定電壓：與電阻尺寸和絕緣有關(guān)。例如使用貼片電阻由300V直流提供輔助電源，不能使用一個電阻降壓等等。第4頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一5電阻(3)－溫度系數(shù)電阻的溫度系數(shù)碳膜電阻350～1350ppm*/C金屬膜電阻25～100ppm/C

金屬氧化膜電阻100~300ppm/C線繞電阻（鎳鉻）25~100ppm/C貼片電阻100~200ppm/C水泥線繞電阻20~300ppm/C銅導線電阻4260ppm/C康銅近似為零第5頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一6電阻(4)-電阻的使用普通負載電阻功率：選擇額定功率比實際電路功率大1倍。直流負載：P=U2/R

開關(guān)電路：P=DU2/R或P=I2R

緩沖電路：

P=fCU2電壓：只用額定電壓一半數(shù)值和公差:一般要求不嚴格，由電路決定，防失控電阻（最大電阻值）。定時電阻：精度高，溫度系數(shù)小。（選大電阻）第6頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一7電阻(5)-電阻的使用取樣電阻電壓取樣：至少1個采用10kΩ，同類電阻，如果要求輸出電壓精度高，應當選擇高精度。電流取樣：無感電阻－雙線反繞線繞電阻，四端電阻；分流器，康銅絲，金屬化電阻多個并聯(lián)。PCB銅皮線（過流檢測）35μmmΩ第7頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一8電阻(6)-電阻的使用電阻可變電阻：功率注意限制電流；電位器可靠性差。限流電阻：限制啟動電容充電電流－采用線繞電阻；NTC，PTC－限流和溫度補償降壓電阻：貼片電阻－注意電壓定額，和最大電阻值<1MΩ－一般PCB上最大電阻值。第8頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一9電阻(7)-電阻的使用電阻壓敏電阻MOV特性：類似穩(wěn)壓管雙向擊穿特性擊穿電壓：通常對應1A電壓值UB殘壓比：1000A時電壓與擊穿電壓之比吸收能量：J應用：并聯(lián)在被保護元件端－器件，電感，輸入電路（抗尖峰，雷擊等）單獨應用：配合保險絲應用（浪涌吸收）。第9頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一10MOV應用例如電感電流10A，電感量為10mH(0.5J)正常工作時電感兩端最大峰值電壓為50V，電感兩端最大過電壓為200V?？梢赃x擇大于能量0.5J，擊穿電壓60V以上的壓敏電阻。一般壓敏電阻擊穿電壓為1A測試值，殘壓比乘以擊穿電壓對應的電流通常在1000A以上，這里電感電流10A很容易達到。如果選擇殘壓比為10的80V壓敏電阻，對應1000A的電壓為10×80V＝800V，假設電壓隨電流線性增加，10A時MOV端電壓[1000A:10=(800V-80V):(U-80)]，解得對應10A的保護電壓大約為88V，小于200V。如果希望保護電壓與擊穿電壓接近，應選擇較小殘壓比的MOV。避雷第10頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一11電容器開關(guān)電源使用各種電容器：

按極性分極性電容和非極性電容；按材料分鋁、鉭和鈮電解電容，無機電容：陶瓷電容和云母電容；有機薄膜電容等，按功能分有X，Y電容，Snabber電容，穿心電容等，去耦電容，定時電容，濾波電容和諧振電容等第11頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一12一、電容器的基本原理

結(jié)構(gòu)：電容器的基本結(jié)構(gòu)是由兩塊導體極板，中間隔離有不同的電介質(zhì)（絕緣體）組成。其符號如圖（b)所示。充電：當兩個端子接到電源時，電源正極將相連極板電子吸走，留下正電荷；而負極向另一極板同時送人相等電子。在外電路形成電流。直到極板電壓等于極板兩端電壓。第12頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一13定義：或電容量與結(jié)構(gòu)和介質(zhì)有關(guān)：F＝0rA－極板面積（m2);d－極板間距離（m)通常電容器名稱是以介質(zhì)材料來命名的第13頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一14表1一些材料的相對介電常數(shù)

材料

εr

材料

εr

空氣 1.0 橡膠 2.7 蒸餾水 8.0 云母 6~7.5 臘紙 4.3 玻璃 5.5~8 礦物油 2.2 陶瓷5.8 尼龍 3.55 氧化鋁 7.5~10 聚酯薄膜 3.1導熱硅脂 3.9~4.3 人造云母 5.2聚四氟乙烯 1.8~2.2 第14頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一15電容電路中電流電容存儲的能量(J)電容電壓不能突變，P＝W/T正弦交流(u=Umsint)電路中的電容式中第15頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一16二、電容器的主要參數(shù)1.

容量：單位－F，（mF），F(xiàn)，nF，pF標稱值－和電阻相同。按照公差等級決定序列。如公差10%：1.0，1.2，1.5，1.8，2.0，2.7，3.3，3.6,4.7，6.8和8.2等，像4.7μF，0.047μF，47pF等等誤差等級－±1%（00）級，±2%(0)級，±5%（Ⅰ）級，±10%（Ⅱ）級和±20%（Ⅲ）級容量標注在外殼上，測試條件為25C，>1μF測試頻率為120Hz，1μF>C>1nF測試頻率為1kHz第16頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一172.電壓定額

電容器介質(zhì)中的電場強度大于它的允許電場強度，這是絕緣介質(zhì)中的電子被拉出來，產(chǎn)生雪崩效應，引起介質(zhì)擊穿。額定電壓一般比擊穿電壓低。高電壓定額的電容需要更厚的介質(zhì)，比低電壓體積大。額定直流電壓：電容兩極能施加的最高直流電壓。額定交流電壓：受損耗限制，一般比直流電壓低得多。并隨頻率增加允許交流電壓降低。例如：某電容直流額額定電壓為600V，而50Hz交流額定電壓為30V。某電容50Hz交流額定電壓為400V，而在400HZ應用，額定電壓降低為240V等。通常選擇電容額定電壓不得小于電容所承受電路最高電壓的125%。第17頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一183.ESR、ESL和損耗系數(shù)電容等效電路：C，ESR，ESL和RSESR：引線、焊接和介質(zhì)極化損耗。介質(zhì)損耗與溫度和頻率有關(guān)。ESL：引線、電容極板結(jié)構(gòu)有關(guān)。RS：泄漏電阻，一般很大損耗系數(shù)：容量>1F，用120Hz；<1F

，用1kHz。C（F），DF（％）Zf第18頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一19各種電容引線結(jié)構(gòu)典型ESLSMT元件典型值在2~8nH。徑向引線型(插入式）電容在10nH～30nH，螺旋端子電容20~50nH，軸向引線型低于200nH。容芯卷繞大，平疊小。第19頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一204.

紋波電流和dv/dt定額

電容溫升是ESR損耗引起的。為了保證電容的壽命,電容規(guī)定了允許紋波電流值，而有些電容規(guī)定了電壓變化率，即dV/dt,一般用V/μs表示。決定此電容脈沖電流(CdV/dt)能力。

電容損耗：I－紋波電流有效值（A）;絕緣介質(zhì)決定了最高溫度Tm，環(huán)境溫度Ta決定溫升ΔT。而電容器的體積決定了散熱面積，即決定了熱阻，因此給定電容的允許損耗也就確定了。不同電容的ESR不同，各種電容允許的穩(wěn)態(tài)電流有效值也不同。超過電容的溫升，將引起電容壽命大大縮短或爆裂。第20頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一21三、電容類型和應用場合3.1極性電容－電解電容－鋁電解，鉭電解和鈮電解電容1.鋁電解電容－一般電解電容指鋁電解電容結(jié)構(gòu)：純鋁陽極電極板一面電極，一面陽極化生成氧化鋁介質(zhì)，為了增加面積，增加電容量極板氧化成多孔結(jié)構(gòu)。電解液與陰極電氣相連。（化成電壓135~200%額定電壓）工作壽命：ESR增加30%，或電容量減少到80%判定電容壽命終止。溫度上限的工作時間為工作壽命。如2k小時，5k小時或10k小時等。溫度范圍：－25℃～85℃，－40℃～85℃，－55℃～85℃，－40℃～105℃，－55℃～105℃和－55℃～125℃等等第21頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一22壽命降額：阿亨紐斯（Arrhenius）定律，容芯溫度減少10℃，壽命增加1倍。電壓超過額定電壓也要降額。但額定工作電壓最大不應大于電容定額的電壓。ESR與紋波電流：電解電容的溫升是ResrI2引起的。開關(guān)電源中輸出紋波電壓主要是ESR引起的。而I為紋波電流的有效值。ESR：20kHz以上，一般ESR與其容量的乘積為RESRC＝50~80×10-6(s)。第22頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一23按開關(guān)電源允許輸出紋波電壓ΔUpp和紋波電流ΔI（Buck類LC濾波通常為負載電流的20%）選擇電容量。例：Buck類LC濾波輸出電流為20A,允許紋波紋波電壓為100mV。f=50kHz.選擇電解電容。解：紋波電流為0.2Io=0.2×20=4A。因為ΔUpp＝ΔIRESR＝4×65×10-6/C,則需要C＝4×65×10-6/0.1=2600μF。如果不考慮ESR，按照此容量計算紋波電壓為ΔUpp＝ΔIT/2C＝4×20×10-6/(2×2600×10-6）=15.4mV按實際ESR計算紋波第23頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一24如果是反激類電感（反激變換器變壓器，Boost，Buck/Buck，Cuk等電感）電容電流有很大的峰值電流。除了按峰值電流選取電容IOFp×Resr＝ΔUpp外，還應檢查電容交流有效值不應當超過限值。例如電感電流是斷續(xù)模式(Ip2＝5A－峰值電流),允許紋波：ΔUpp＝100mV，選擇電容量μFTR斷續(xù)(Ip－峰值電流)，DR＝TR/T=0.5：A第24頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一25反激連續(xù)，D＝0.5,連續(xù)(Ia－中值電流)：Ia連續(xù)交流電流有效值應當小于所選電容允許電流有效值：需要的電容量：μF反激輸出紋波尖刺問題第25頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一26工頻整流電容濾波電容選擇能量關(guān)系

tIiUipIiULk=UL/Up；

脈沖寬度

流過電容的交流有效值

輸出接開關(guān)電源，輸入電流有效值為Isw，電容電流總有效值第26頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一27設計計算參數(shù)表舉例：輸出功率為100W，變換器效率為85%，變換器由220V/50Hz交流電源供電，經(jīng)橋式整流，電容濾波，給DC/DC變換器供電，變換器允許輸入紋波電壓峰峰值為30V，選擇輸入濾波電容。解：查得α＝2.119,γ＝0.0076得到電容電容電流有效值μFA第27頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一28使用1.

因為電容老化與溫度緊密相關(guān)，多個電容安裝在一起時，電容之間應當留有空隙，便于散熱，電解電容不同外形尺寸的電容間距離為φ40以上>5mm,φ18～35應>3mm，φ6～16應>2mm；2.

電容安裝時盡量不要靠近功率器件和發(fā)熱源；3.

不要用有機洗滌劑清洗；4.電路電壓最高電壓不超過耐壓值的1.2倍；5.

不能反極性；6.

已安裝在PCB上的電容不得強迫拉壓或歪扭；7.在電壓允許的情況下，電容的＋－端盡可能靠近，減少引線電感?？s短引線。8.并聯(lián)－引線相等第28頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一292、鉭電容鉭電容比鋁電容具有好得多的高頻特性，但價格貴，而且電壓限制在100V和容量數(shù)百μF以下，失效為常為短路極易著火。中功率電源輸入最好選擇鋁電解電容，而輸出低壓采用貼片鉭電容。當然貼片比插件的容量小而電壓低。比鋁電解電容更好的低溫性能。鉭電解電容選擇與鋁電解電容相似。仍以輸出紋波電壓和ESR選擇電容量。第29頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一303.2無極性電容1.有機薄膜電容介質(zhì)：薄膜電容有聚乙烯、聚酯（CL）、聚丙烯(CB)、聚四氟乙烯(CF)、聚碳酸脂（CLS）等薄膜電容。精密、溫度特性好、低漏電流。類型：1.金屬箔/膜電容－金屬箔作為電極。極低的ESR，可以承受很高的dV/dt和交流電流。體積大，價格高。容量小（低于0.01μF)

2.金屬化電容

－噴涂在介質(zhì)鋁層作為電極。ESR大，較低的dV/dt和交流電流能力。體積小，價格低，有自愈能力。容量大。第30頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一31使用：相同容量金屬箔常用于脈沖、交流高壓、緩沖電路（snubber）和諧振電路。例如二極管緩沖電容選擇步驟：1)不接C測量示波圖振蕩頻率fc;2)在D上并聯(lián)Cx觀察示波圖使振蕩頻率fm=fc/2,電路等效分布電容C＝Cx/3;3)分布電感為L＝1/（2πfc)2C;4)選擇5)選擇電容

電阻功耗：dV/dt要求：應當大于Uo/trr,第31頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一32金屬化電容在局部擊穿時產(chǎn)生高溫，金屬箔蒸發(fā)不會短路，電容量減少極小，這種現(xiàn)象就是所謂自愈能力，體積小，價格低。這類電容除了一般應用以外，常用于電磁兼容的X電容和Y電容。

對X電容可選得大一些（典型值為0.1μF～1μF），電壓定額

2500V

安全要求漏電流不得大于工頻泄漏電流為0.25～3.5mA（由產(chǎn)品標準定）常選1～4.7nF，2.2nF為典型值，電壓3000V第32頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一33金屬化聚碳酸酯膜介質(zhì)CLS體積小，耐高溫、溫度系數(shù)小、絕緣電阻高、自愈性。常應用于邏輯控制電路、延時、積分、濾波、耦合和移相電路。*金屬化電容不使用在低電容、小于0.01F、諧振電路、吸收電路和低噪聲。殼溫升不超過15°C，高溫環(huán)境殼溫不超過最高允許溫度。第33頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一342.無機介質(zhì)電容云母電容：云母片為介質(zhì)，浸銀后形成電極。電容量在數(shù)pF到1μF；電壓定額在50Vdc到2500V-55℃～150℃內(nèi)電容量漂移不超過0.5%

比有機介質(zhì)箔電容更高的dV/dt能力體積較大，成本較高。適合于定時、緩沖電路和高頻交流電路使用。第34頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一35陶瓷介質(zhì)電容

：介質(zhì)成分是鈦酸鹽、鈮鎂酸鉛等

分類：3類1類：高精度，1pF到幾個mF；1類：高精度，1pF到幾個mF；2類：獨石電容，和1類相同的殼體，容量是以上電容20~70倍，但在溫度－55℃～125℃范圍內(nèi)變化大約±10%，最大變化為＋15%～－25%；3類：電容容量是2類大約5倍，電容量隨電壓和溫度變化較大。溫度范圍－25℃～85℃，電容變化大約＋20%～－65%第35頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一36使用1類用于定時、諧振電路和需要補償溫度效應的電路，也適合要求低損耗和高絕緣電阻的一般電路中使用。在收音機、電視機、收錄機等電子產(chǎn)品種要求容量穩(wěn)定的交直流的脈沖電路中使用。在收音機、電視機、收錄機等電子產(chǎn)品種要求容量穩(wěn)定的交直流的脈沖電路中使用。2類電容量大，外形尺寸小。電路中用于隔直流、旁路耦合、濾波和對損耗和容量穩(wěn)定性要求不高的場合。

3類容量大，但要求不高的地方，價格低廉。多層陶瓷電容，代替低壓電解電容,ESR特地，影響閉環(huán)設計，斷裂為主要失效模式。

第36頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一37四、開關(guān)電源中電容器1、輸入EMC濾波、整流和PFCC1C2C3C4C5C6C7UiUoHVC8220V50HzAB第37頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一38C1,C4－EMC差模（常模）濾波：一般采用有機介質(zhì)金屬化交流電容。通常稱為X電容。C2,C3－EMC共模濾波：一般稱為Y電容。通常采用高壓一類陶瓷電容，或高壓金屬化電容。要求較低的ESR。數(shù)值受安全泄漏電流(<3mA)限制。C5－PFC輸入電容：通常采用金屬化電容，如CBB。保證PFC工作，輸入整流電壓為零附近有1V左右電壓。減少輸入電流過零失真,一般在1~4μF。C6,C7－緩沖（Snubber）電容：一般采用金屬箔/膜電容，具有很高的dV/dt能力，以及非常小的ESR和ESL。通常稱為snubber電容。C8－輸出濾波電容：鋁電解電容，按紋波電壓要求，根據(jù)峰值電流和電容的ESR選擇容量，檢查電容的紋波電流定額是否滿足電路要求。第38頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一392.功率電路C11C9C9,C10

－Snubber電容，要求極低ESR，一般按dV/dt能力選擇電容。C10C11－輸出濾波電容，電解電容，按紋波電壓要求，根據(jù)紋波電流和電容的ESR選擇電容量。UoHVUo輔助線圈第39頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一403.輔助電路C12C13C14CTC15控制IC驅(qū)動C16AC12－工頻濾波，電解電容電容，按交流整流濾波選擇電容量；C13－電解電容。按控制芯片欠壓保護回差ΔUUN＝IT/C選擇電容量。I－控制電路輸入電流；T－功率電路啟動時間。C14－定時電容。薄膜電容或云母電容等精密電容。C15C16－去耦電容。一般用途，3類陶瓷及任何電容。B來自輔助線圈第40頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一41光耦－光耦合器LED與光敏晶體管組成使用：1.傳輸比：γ=Ic/ID。不同的初級二極管電流,是不同的，有非常明顯得非線性；2.傳輸比γ和三極管的β一樣，離散性很大，同時傳輸比也與溫度有關(guān)，且比β溫度系數(shù)大。3.如果作為開關(guān)，有開關(guān)延遲。普通光耦延遲0.2~1μs。如果是光敏晶體管與三極管復合提高傳輸比的器件，延遲可達3~5μs。高速光耦一般傳輸比低。4.次級輸出管存在暗電流Is，具有正溫度系數(shù)。5.雖然初級與次級之間通過光傳遞信息，但在高壓應用時，應當注意隔離電壓定額。6.

擊穿電壓ic

icuceidis第41頁，共47頁，2023年，2月20日，星期一42運算放大器高增益的直流放大器（>80dB)。輸入是差動放大器－減少飄移；輸出