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开关电源电容损耗_电源工程师需看

文章出处:网责任编辑:作者:人气:-发表时间:2020-10-14 10:05:00【

 能量转换系统必定存在能耗,虽然实际应用中无法获得100%的转换效率,但是,一个高质量的电源效率可以达到非常高的水平,效率接近95%。绝大多数电源IC 的工作效率可以在特定的工作条件下测得,数据资料中给出了这些参数。一般厂商会给出实际测量的结果,开关电源的损耗大部分来自开关器件(MOSFET 和二极管),另外小部分损耗来自电感和电容。但是,如果使用非常廉价的电感和电容(具有较高电阻),将会导致损耗明显增大。选择IC时,需要考虑控制器的架构和内部元件,以期获得高效指标。

 电容损耗

 与理想的电容模型相反,电容元件的实际物理特性导致了几种损耗。电容在SMPS 电路中主要起稳压、滤除输入/输出噪声的作用(图1),电容的这些损耗降低了开关电源的效率。这些损耗主要表现在三个方面:等效串联电阻损耗、漏电流损耗和电介质损耗。

 

电容的阻性损耗显而易见。既然电流在每个开关周期流入、流出电容,电容固有的电阻(RC)将造成一定功耗。漏电流损耗是由于电容绝缘材料的电阻(RL)导致较小电流流过电容而产生的功率损耗。电介质损耗比较复杂,由于电容两端施加了交流电压,电容电场发生变化,从而使电介质分子极化造成功率损耗。

 

 

 

所有三种损耗都体现在电容的典型损耗模型中(图 左边部分),用电阻代表每项损耗。与电容储能相关的每项损耗的功率用功耗系数(DF)表示,或损耗角正切(δ)。每项损耗的DF 可以通过由电容阻抗的实部与虚部比得到,可以将每项损耗分别插入模型中。

 

为简化损耗模型, 图中的接触电阻损耗、漏电流损耗和电介质损耗集中等为一个等效串联电阻(ESR)。ESR 定义为电容阻抗中消耗有功功率的部分。

 

推算电容阻抗模型、计算ESR (结果的实部)时,ESR 是频率的函数。这种相关性可以在下面简化的ESR等式中得到证明:

 

 

 

式中,DFR、DFL 和DFD 是接触电阻、漏电流和电介质损耗的功耗系数。

 

利用这个等式,我们可以观察到随着信号频率的增加,漏电流损耗和电介质损耗都有所减小,直到接触电阻损耗从一个较高频点开始占主导地位。在该频点(式中没有包括该参数)以上,ESR 因为高频交流电流的趋肤效应趋于增大。

 

许多电容制造商提供ESR 曲线图表示ESR 与频率的关系。例如,TDK 为其大多数电容产品提供了ESR 曲线,参考这些与开关频率对应曲线图,得到ESR 值。

 

然而,如果没有ESR 曲线图,可以通过电容数据资料中的DF 规格粗略估算ESR。DF 是电容的整体DF (包括所有损耗),也可以按照下式估算ESR:

 

 

 

 

无论采用哪种方法来得到ESR 值,直觉告诉我们,高ESR 会降低开关电源效率,既然输入和输出电容在每个开关周期通过ESR 充电、放电。这导致I2× RESR 功率损耗。这个损耗(PCAP(ESR))可以按照下式计算:

PCAP(ESR) = ICAP(RMS)2 × RESR

式中,ICAP(RMS)是流经电容的交流电流有效值RMS。对降压电路的输出电容,可以采用电感纹波电流的有效值RMS。输入滤波电容的RMS 电流的计算比较复杂,可以按照下式得到一个合理的估算值:

ICIN(RMS) = IOUT/VIN × [VOUT (VIN - VOUT)]1/2

显然,为减小电容功率损耗,应选择低ESR 电容,有助于SMPS 电源降低纹波电流。ESR 是产生输出电压纹波的主要原因,因此选择低ESR 的电容不仅仅单纯提高效率,还能得到其它好处。

 

一般来说,不同类型电介质的电容具有不同的ESR 等级。对于特定的容量和额定电压,铝电解电容和钽电容就比陶瓷电容具有更高的ESR 值。聚酯和聚丙烯电容的ESR 值介于它们之间,但这些电容尺寸较大,SMPS 中很少使用。

 

 

对于给定类型的电容,较大容量、较低的fS 能够提供较低的ESR。大尺寸电容通常也会降低ESR,但电解电容会带来较大的等效串联电感。陶瓷电容被视为比较好的折中选择,此外,电容值一定的条件下,较低的电容额定电压也有助于减小ESR。

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