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    開關電源電容損耗_電源工程師需看

    文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2020-10-14 10:05:00【

     能量轉換系統必定存在能耗,雖然實際應用中無法獲得100%的轉換效率,但是,一個高質量的電源效率可以達到非常高的水平,效率接近95%。絕大多數電源IC 的工作效率可以在特定的工作條件下測得,數據資料中給出了這些參數。一般廠商會給出實際測量的結果,開關電源的損耗大部分來自開關器件(MOSFET 和二極管),另外小部分損耗來自電感和電容。但是,如果使用非常廉價的電感和電容(具有較高電阻),將會導致損耗明顯增大。選擇IC時,需要考慮控制器的架構和內部元件,以期獲得高效指標。

     電容損耗

     與理想的電容模型相反,電容元件的實際物理特性導致了幾種損耗。電容在SMPS 電路中主要起穩壓、濾除輸入/輸出噪聲的作用(圖1),電容的這些損耗降低了開關電源的效率。這些損耗主要表現在三個方面:等效串聯電阻損耗、漏電流損耗和電介質損耗。

     

    電容的阻性損耗顯而易見。既然電流在每個開關周期流入、流出電容,電容固有的電阻(RC)將造成一定功耗。漏電流損耗是由于電容絕緣材料的電阻(RL)導致較小電流流過電容而產生的功率損耗。電介質損耗比較復雜,由于電容兩端施加了交流電壓,電容電場發生變化,從而使電介質分子極化造成功率損耗。

     

     

     

    所有三種損耗都體現在電容的典型損耗模型中(圖 左邊部分),用電阻代表每項損耗。與電容儲能相關的每項損耗的功率用功耗系數(DF)表示,或損耗角正切(δ)。每項損耗的DF 可以通過由電容阻抗的實部與虛部比得到,可以將每項損耗分別插入模型中。

     

    為簡化損耗模型, 圖中的接觸電阻損耗、漏電流損耗和電介質損耗集中等為一個等效串聯電阻(ESR)。ESR 定義為電容阻抗中消耗有功功率的部分。

     

    推算電容阻抗模型、計算ESR (結果的實部)時,ESR 是頻率的函數。這種相關性可以在下面簡化的ESR等式中得到證明:

     

     

     

    式中,DFR、DFL 和DFD 是接觸電阻、漏電流和電介質損耗的功耗系數。

     

    利用這個等式,我們可以觀察到隨著信號頻率的增加,漏電流損耗和電介質損耗都有所減小,直到接觸電阻損耗從一個較高頻點開始占主導地位。在該頻點(式中沒有包括該參數)以上,ESR 因為高頻交流電流的趨膚效應趨于增大。

     

    許多電容制造商提供ESR 曲線圖表示ESR 與頻率的關系。例如,TDK 為其大多數電容產品提供了ESR 曲線,參考這些與開關頻率對應曲線圖,得到ESR 值。

     

    然而,如果沒有ESR 曲線圖,可以通過電容數據資料中的DF 規格粗略估算ESR。DF 是電容的整體DF (包括所有損耗),也可以按照下式估算ESR:

     

     

     

     

    無論采用哪種方法來得到ESR 值,直覺告訴我們,高ESR 會降低開關電源效率,既然輸入和輸出電容在每個開關周期通過ESR 充電、放電。這導致I2× RESR 功率損耗。這個損耗(PCAP(ESR))可以按照下式計算:

    PCAP(ESR) = ICAP(RMS)2 × RESR

    式中,ICAP(RMS)是流經電容的交流電流有效值RMS。對降壓電路的輸出電容,可以采用電感紋波電流的有效值RMS。輸入濾波電容的RMS 電流的計算比較復雜,可以按照下式得到一個合理的估算值:

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

    顯然,為減小電容功率損耗,應選擇低ESR 電容,有助于SMPS 電源降低紋波電流。ESR 是產生輸出電壓紋波的主要原因,因此選擇低ESR 的電容不僅僅單純提高效率,還能得到其它好處。

     

    一般來說,不同類型電介質的電容具有不同的ESR 等級。對于特定的容量和額定電壓,鋁電解電容和鉭電容就比陶瓷電容具有更高的ESR 值。聚酯和聚丙烯電容的ESR 值介于它們之間,但這些電容尺寸較大,SMPS 中很少使用。

     

     

    對于給定類型的電容,較大容量、較低的fS 能夠提供較低的ESR。大尺寸電容通常也會降低ESR,但電解電容會帶來較大的等效串聯電感。陶瓷電容被視為比較好的折中選擇,此外,電容值一定的條件下,較低的電容額定電壓也有助于減小ESR。

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