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鋁電解電容器的選型要點

發布時間:2020-06-11 17:19人氣:572

鋁電解電容選型需要多方面考慮,如:電容的容量,耐壓,溫度范圍,封裝形式與尺寸;紋波電流、紋波電壓;漏電流、ESR、散逸因數、阻抗/頻率特性;電解電容的壽命等等,實際需要、性能和成本等綜合考量。


容量和額定工作電壓,在實際電容選型中,對電流變化節奏快的地方要用容量較大的電容,但并非容量越大越好,首先,容量增大,成本和體積可能會上升,另外,電容越大充電電流就越大,充電時間也會越長。這些都是實際應用選型中要考慮的。 額定工作電壓:在規定的工作溫度范圍內,電容長期可靠地工作,它能承受的最大直流電壓。在交流電路中,要注意所加的交流電壓最大值不能超過電容的直流工作電壓值。


在濾波電路中,電容的耐壓值不要小于交流有效值的1.42倍。另外還要注意的一個問題是工作電壓裕量的問題,一般來說要在15%以上。例如某電容的額定電壓是50V,雖然涌浪電壓可能高至63V,但一般最高只會施加42V電壓。 讓電容器的額定電壓具有較多的余裕,能降低內阻、降低漏電流、降低損失角、增加壽命。雖然說, 48V的工作電壓使用50V的鋁電解電容短時間不會出現問題,但使用久了,壽命就有可能降低。 


介質損耗,電容器在電場作用下消耗的能量,通常用損耗功率和電容器的無功功率之比,即損耗角的正切值表示。損耗角越大,電容器的損耗越大,損耗角大的電容不適于高頻情況下工作。散逸因數dissipationfactor(DF)存在於所有電容器中,有時DF值會以損失角tanδ表示。理論上此參數愈低愈好,實際應用中DF值是高還是低,就同一品牌、同一系列的電容器來說,與溫度、容量、電壓、頻率……都有關系;當容量相同時,耐壓愈高的DF值就愈低。此外溫度愈高DF值愈高,頻率愈高DF值也會愈高。 


外型尺寸,外型尺寸與重量及接腳型態相關。single ended是徑向引線式,screw是鎖螺絲式,另外還有貼片鋁電解電容等。至於重量,同容量同耐壓,但品牌不同的兩個電容做比較,重量一定不同;而外型尺寸更與外殼規劃有關。一般來說,直徑相同、容量相同的電容,高度低的可以代用高度大的電容,但是長度高的替代低的電容時就要考慮機構干涉問題。 


ESR,一只電容器會因其構造而產生各種阻抗、感抗。ESR等效串聯電阻及ESL等效串聯電感是一對重要參數─這就是容抗的基礎。一個等效串聯電阻(ESR)很小的電容相對較大容量的外部電容能很好地吸收快速轉換時的峰值(紋波)電流。用 ESR 大的電容并聯更具成本效益。然而,這需要在 PCB 面積、器件數目與成本之間尋求折衷。 


紋波電流和紋波電壓,在有的資料中稱作漣波電流和漣波電壓,含義就是電容器所能耐受紋波電流/電壓值,紋波電壓等于紋波電流與ESR的乘積。當紋波電流增大的時候,即使在 ESR 保持不變的情況下,紋波電壓也會成倍提高,換言之,當紋波電壓增大時,紋波電流也隨之增大,這也是要求電容具備更低 ESR 值的原因。疊加入紋波電流后,由于電容內部的等效串連電阻(ESR)引起發熱,從而影響到電容器的使用壽命,一般的,紋波電流與頻率成正比,因此低頻時紋波電流也比較低。 


額定紋波電流是在最高工作溫度條件下定義的數值,而實際應用中電容的紋波承受度還跟其使用環境溫度及電容自身溫度等級有關。規格書目通常會提供一個在特定溫度條件下各溫度等級電容所能夠承受的最大紋波電流,甚至提供一個詳細圖表以幫助使用者迅速查找到在一定環境溫度條件下要達到某期望使用壽命所允許的電容紋波量。 


漏電流,電容器的介質對直流電流具有很大的阻礙作用。由于鋁氧化膜介質上浸有電解液,在施加電壓時,重新形成的以及修復氧化膜的時候會產生一種很小的稱之為漏電流的電流,通常,漏電流會隨著溫度和電壓的升高而增大。它的計算公式大致是:I=K×CV,漏電流I的單位是μA,K是常數。一般來說,電容器容量愈高,漏電流就愈大。


壽命,影響鋁電解電容壽命的原因有很多,如過電壓、逆電壓、高溫、急速充放電等等,正常使用的情況下,最大的影響就是溫度,因為溫度越高電解液的揮發損耗越快。需要注意的是這里的溫度不是指環境或表面溫度,是指鋁箔工作溫度。電容的工作溫度每增高10℃壽命減半,所以不要以為2000小時壽命的鋁電解電容就比1000小時的好,要注意確認壽命的測試溫度。每個廠商都有溫度和壽命的計算公式,在設計電容時要參照實際數據進行計算。需要了解的是要提高鋁電解電容的壽命,第一要降低工作溫度,在PCB上遠離熱源,第二考慮使用最高工作溫度高的電容,當然價格也會高一些。 


阻抗,在特定的頻率下,阻礙交流電流通過的電阻即為所謂的阻抗。它與電容等效電路中的電容值、電感值密切相關,且與 ESR 也有關系。電容的容抗在低頻率范圍內隨著頻率的增加逐步減小,頻率繼續增加達到中頻范圍時電抗降至ESR的值。當頻率達到高頻范圍時感抗變為主導,所以阻抗是隨著頻率的增加而增加。 在開關電源中的輸出濾波電解電容器,其鋸齒波電壓頻率高達數十kHz,甚至是數十MHz,這時電容量并不是其主要指標,衡量高頻鋁電解電容優劣的標準是“阻抗-頻率”特性,要求在開關電源的工作頻率內要有較低的等效阻抗,同時對于半導體器件工作時產生的高頻尖峰信號具有良好的濾波作用。 


雖然從表面上來看DF、漏電流、ESR愈低,紋波電流愈高,鋁電解電容性能越好,但是性能提高的代價是體型的肥大和價格的提高。因此,鋁電解電容的選擇必須慎重,既要兼顧性能要求,又要考慮封裝尺寸,在設計時一定要針對系統要求,仔細查閱相關的產品手冊,認真確定適宜的型號,并進行實際測試。

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