开关电源中的X电容和Y电容
一直以来开关电源电路的”电磁干扰”就是一个重要的解决结点。从原理来讲电磁干扰主要来自于两个方面：即传导干扰和辐射干扰。
传导干扰是由于电路中寄生参数的存在，以及开关电源中调频开关器件的开通与判断，使得开关电源在市电交流输入端产生较大共模干扰和差模干扰。
辐射干扰是指由于导体中电流的变化会在其周围空间中产生变化的磁场，而变化的磁场又产生变化的电场，这一变化电流的幅值和频率决定其产生的电磁的大小以及其作用范围。因此，则又分为近场干扰和远场干扰。
为了减轻和抵制这些电磁干扰对电网以及电子设备产生的危害，工程技术人员在电路设计时X和Y电容的方法。X电容抵制差模干扰，Y电容抵制共模干扰，X电容和Y电容同属于安规电容。当安规电容器失效后，不会产生电击，不会危及人身安全。安规电容通常用于抗干扰电路中，起滤波的作用。
安规电容的放电和普通电容不一样，普通电容在外部电源断开后电荷会保留很长时间。如果用手触摸就会被电到，而安规电容则没这个问题。因此，对于安规电容的Y电容，其电容量必须受到限制，在额定频率及额定电压作用下，控制Y电容的容量，从而达到渡过Y电容的漏电流的大小对系统EMC(Electro Magnet Compathilty的缩写,意为电磁兼容性”)性能的影响。根据GJB-151规定Y电容的容量应不大于0.1UF，Y电容除符合相应的电网电压耐压外，还要求这种电容器在电气和机械性能方面有足够的安全裕量,避免在极端恶劣环境条件下使用时出现击穿短路现象，Y电容的耐压性能对保护人身安全，具有非常重要的意义。
由于X电容和Y电容在电路中所处的安装位置不一样。因此各自的安全等级有较大的差别。具体可参见等级表：
X电容分类
Y电容分类
X电容是跨接在电力线两线(L-N)之间的电容，其接法较为简单。Y电容的接法则相对复杂一些。Y电容一般分为Y1和Y2，（注意这里Y1和Y2是安规的编号，也有人称为Ya和Yb），既可同时使用，也有单独使用。Y1或者Y2同时使用时，Y1和Y2分别跨接在电力线丙线和地之间(L-E,N-E)。分四种情况分别是：
连接到初级高压和次级输出正
连接到初级高压和次级地线
连接到初级地和次级正
连接到初级地和次级地
X电容抑制差模干扰，Y电容抑制共模干扰。无论那种干扰对净化电网环境；对各类电器负载，都是一种潜在的危害。根据IEC60384-14标准，在电路中采取X电容和Y电容，只是消除或减轻干扰措施之一。而消除或者减轻干扰并提高电磁兼容性措施，其途径并不是单一。如下力中的L1，实际上赞同于一个扼流圈，对抑制共模干扰就直到了很好的辅助作用。
开关电源一次滤波大电解电容 开关电源决定一次侧滤波电容，主要影响电源的性能参数为输出低频交流纹波与保持时间. 滤波电容越大，电容器上的Vin(min)越高，可以输出较大功率的电源，但相对价格也提高了。 输入电解电容计算方法(举例说明)： 1.因输出电压12V 输出电流2A, 故输出功率：Pout=Vo*Io=1 2.0V*2A=24W 。 2.设定变压器的转换效率约为80%，则输出功率为24W 的电源其输入功率：Pin=Pout/效率=W W 30% 8024=. 3.因输入最小交流电压为90VAC ，则其直流输出电压为： Vin=90*2=127Vdc 故负载直流电流为：I=Vin Pin =A Vac W 236.012730= (若电源的等级要求较高时, 可考虑如下参数进行推算; 因输入最小交流电压为90VAC ，则其最低输出直流电压为： Vin(min)=90*2-30(直流纹波电压)=97Vdc ，故最大负载直流电流为：I MAX =(min)Vin Pin =A Vac W 309.09730=) 4.设计允许30V PP 的直流纹波电压V ?，并且电容要维持电压的时间为半周期t （即半周期的工频率交流电压在约是8ms ，T=f 1=60 1=0.0167S=16.7 ms ）则：C=uF V t I 9.6230 10*8*236.0*3 ==?- 62uH 在常用电容47-82uH 之间，因考虑成本问题。 故实际选择电容量47uF. 5.因最大输入交流电压为264Vac ，则最高直流电压为:V=264*2=373VDC. 实际选用通用型耐压400Vdc 的电解电容,此电压等级,电容有95%的裕度. 6.电容器的承受的纹波电流值决定电容器的温升,进而决定电容器的寿命.(电容器的最大纹波电流值与其体积,材质有关.体积越大散热越好耐受纹波电流值越高)故在选用电容器要考虑实际纹波电流值＜电容器的最大纹波电流值. 7.开关源元器件温升一般较高,通常选用105℃电容器,在特殊情况无法克服温升时可选用125℃电容器. 故选用47uF,400v, 105℃电解电容器可以满足要求(在实际使用时还考虑安装机构尺寸,体种大小,散热环境好坏等)
开关电源设计技巧连载十六：推挽式变压器开关电源储能滤波电感、电容参数的计算 1-8-1-3．推挽式变压器开关电源储能滤波电感、电容参数的计算 图1-33中，储能滤波电感和储能滤波电容参数的计算，与图1-2的串联式开关电源中储能滤波电感和储能滤波电容参数的计算方法很相似。 根据图1-33和图1-34，我们把整流输出电压uo和LC滤波电路的电压uc、电流iL画出如图1-35，以便用来计算推挽式变压器开关电源储能滤波电感、电容的参数。 图1-35-a）是整流输出电压uo的波形图。实线表示控制开关K1接通时，推挽式变压器开关电源开关变压器次级线圈N3绕组输出电压经整流后的波形；虚线表示控制开关K2接通时，推挽式变压器开关电源开关变压器次级线圈N3绕组输出电压经整流后的波形。Up表示整流输出峰值电压（正激输出电压），Up-表示整流输出最低电压（反激输出电压），Ua表示整流输出电压的平均值。 图1-35-b）是滤波电容器两端电压的波形图，或滤波电路输出电压的波形图。Uo表示输出电压，或滤波电容器两端电压的平均值；ΔUc表示电容充电电压增量，2ΔUc等于输出电压纹波。
1-8-1-3-1．推挽式变压器开关电源储能滤波电感参数的计算 在图1-33中，当控制开关K1接通时，输入电压Ui通过控制开关K1加到开关变压器线圈N1绕组的两端，在控制开关K1接通Ton期间，开关变压器线圈N3绕组输出一个幅度为Up（半波平均值）的正激电压uo，然后加到储能滤波电感L 和储能滤波电容C组成的滤波电路上，在此期间储能滤波电感L两端的电压eL 为： 式中：Ui为输入电压，Uo为直流输出电压，即：Uo为滤波电容两端电压uc的平均值。 在此顺便说明：由于电容两端的电压变化增量ΔU相对于输出电压Uo来说非常小，为了简单，我们这里把Uo当成常量来处理。 对（1-136）式进行积分得：
开关电源中X电容和Y电容设计规则 开关电源的X电容设计准则： 参考AD1118X电容放置原则： 1.共模扼流圈前：105/275VA CMKP/X2 2.共模扼流圈后：474/275VA CMKP/X2 参考MWSP200-12X电容放置原则： 1.共模扼流圈前：1uF/275VA CMKP/X2 2.共模扼流圈后：0.33uF/275VA CMKP/X2 参考MWS145-12X电容放置原则： 1.共模扼流圈前：0.22uF/MKP-X2-250VA C/275VA CGS-L 2.共模扼流圈后：0.1uF/MKP-X2-250VA C/275VA CGS-L 一般两级X电容，前一级用0.47uF第二级用0.1uF;单级则用0.47uF.目前还没有比较方便的计算方法。电容容量的大小和电源的功率无直接关系） 开关电源的Y电容设计准则： 大地=PGNDorCHGND 参考AD1118Y电容放置原则： 1.市电输入L/N线对大地：2颗472/250VY2 2.市电经过一级共模扼流圈后的两线对大地：2颗472/250V 3.整流桥输出的低压端(变压器初级低压端）对大地：1颗222/250V 4.6组低压直流输出88V1对大地：各1颗103/1KVY1 5.6组低压输出辅助电源AGND变压器次级低压端）对大地：共用1颗103/1KVY1 6.变压器初级低压端对变压器次级低压端：共用1颗103/1kVY1
参考AD1043设计： 1.市电输入L/N线对大地：2颗222/250VY2 2.市电经过1级共模扼流圈后的两线对大地：2颗472/250VY2 参考康殊电子的设计： 1.市电输入L/N线对大地：2颗102/250VY2 2.市电经过2级共模扼流圈后的两线对大地：2颗102/250VY2 3.整流桥输出的低压端(变压器初级低压端无线数传模块）对大地：1颗332/250VY2 4.12V低压直流输出对大地：1颗223/1KVDISCY1 5.变压器初级低压端对变压器次级低压端：222/250VY1 参考MWS-145-12设计： 1.市电经过1级共模扼流圈后的两线对大地：2颗222/2kVY1 2.整流桥输出的低压端(变压器初级低压端）对大地：1颗222/2kVY1 3.12V低压直流输出GND对大地：1颗103/1KVY1 参考MWS-200-12设计： 1.市电输入L/N线对大地：2颗472/250VY2未上） 2.市电经过1级共模扼流圈后的两线对大地：2颗472/250VY2 2.整流桥输出的低压端(变压器初级低压端）对大地：1颗222/250VY2 3.PFC输出高压端对变压器初级地：1颗103/2kVY1 4.12V低压直流输出对大地：1颗103/1KVY1 5.12V低压直流输出GND对大地：1颗203/1KVY1 根据上述说明，Y电容设计规则如下：可适当选择) 1.市电输入L/N线对大地：2颗222/250VY2
开关电源始终无输出的故障检修技巧 1、开关电源始终无电压输出的原因 这种情况是由于开关电源未产生振荡所致，进一步证明的方法是；测开关电源整流滤波电容关机后的电压，若为300V之后缓慢下降，则说明开关电源确未产生振荡。开关电源未产生振荡的原因有： 1）．开关管集电极未得到足够的工作电压。 2）．开关管基极未得到启动电压。 3）．开关管正反馈电路元件失效。: 2、检修方法与步骤 1）．测开关管集电极电压为0或低于市电1．4倍，检查交流220V输入电路及整流滤波电路，若集电极电压正常，则检查开关管b极电压 2）．测开关管b极电压或者在关机瞬间，用指针万用表R x 1欧挡，黑笔接b极，红笔接整流滤波电容负极(热地)，听电源有启动声音，说明电源振荡电路正常，仅缺乏启动电压，是启动电阻开路或铜皮断。若无启动声，在测be结后，迅速将表转到电压档，测c极电压是否快速泄放。若是，说明开关管及其放电回路均正常，正反馈电路存在故障，包括反馈电阻、电容、续流二极管、正反馈绕组及其开关管故障。若c极电压仍不泄放，说明开关管及其回路有开路故障或b极有短路接地故障 二、开关电源瞬间有电压输出的故障检修技巧 1、瞬间有电压输出故障原因 开关电源在加电的初始产生了振荡，但后来由于过压过流保护引起停振，或开关机接口电路加电初为开机状态，但随着CPU清零的结束而转入待机状态。 其原因有： 1）．开关电源因故造成输出电压过高而引起保护停振。 2）．负载过流而引起过流保护动作。 3）．保护电路本身误动作。 4）．遥控系统因故障而执行待机指令。 其中2、3、4项适用于带有副电源的机器。 2．故障判断的方法与检修步骤 1）．假负载法： 脱开行负载，在B+输出端接上假负载，监测B+电压(应先将电压表接到位，开机后即关机)。如果高于正常值十几伏以上，可判断故障是由开关电源输出过压，并击穿行输出管所致，或电源本身的保护电路动作关断电源。应对控制开关电源输出电压的脉宽调制电路和振荡定时电容进行检查(后面将专门讲述)。 若开关电源B+正常，则变换负载或改变市电压观察B+是否稳定输出，对于直接取样电源可空载，以便更好地判断开关电源的稳定性能，若确认其良好，则故障系负载过流或保护电路动作所引起。
开关电源中的X电容和Y电容 一直以来开关电源电路的”电磁干扰”就是一个重要的解决结点。从原理来讲电磁干扰主要来自于两个方面：即传导干扰和辐射干扰。 传导干扰是由于电路中寄生参数的存在，以及开关电源中调频开关器件的开通与判断，使得开关电源在市电交流输入端产生较大共模干扰和差模干扰。 辐射干扰是指由于导体中电流的变化会在其周围空间中产生变化的磁场，而变化的磁场又产生变化的电场，这一变化电流的幅值和频率决定其产生的电磁的大小以及其作用范围。因此，则又分为近场干扰和远场干扰。 为了减轻和抵制这些电磁干扰对电网以及电子设备产生的危害，工程技术人员在电路设计时X和Y电容的方法。X电容抵制差模干扰，Y电容抵制共模干扰，X电容和Y电容同属于安规电容。当安规电容器失效后，不会产生电击，不会危及人身安全。安规电容通常用于抗干扰电路中，起滤波的作用。 安规电容的放电和普通电容不一样，普通电容在外部电源断开后电荷会保留很长时间。如果用手触摸就会被电到，而安规电容则没这个问题。因此，对于安规电容的Y电容，其电容量必须受到限制，在额定频率及额定电压作用下，控制Y电容的容量，从而达到渡过Y电容的漏电流的大小对系统EMC(Electro Magnet Compathilty的缩写,意为电磁兼容性”)性能的影响。根据GJB-151规定Y电容的容量应不大于0.1UF，Y电容除符合相应的电网电压耐压外，还要求这种电容器在电气和机械性能方面有足够的安全裕量,避免在极端恶劣环境条件下使用时出现击穿短路现象，Y电容的耐压性能对保护人身安全，具有非常重要的意义。 由于X电容和Y电容在电路中所处的安装位置不一样。因此各自的安全等级有较大的差别。具体可参见等级表： X电容分类
反激式开关电源输出滤波电容器的选择 陈永真 1．反激式开关电源输出整流滤波电路工作状态分析 反激式开关电源输出整流滤波电路原理上是最简单的。但是，由于反激式开关电源的能量传递必须通过变压器转换实现，变压器的初次级两侧的开关（MOSFET 或整流二极管）均工作在电流断续状态。在相同输出功率条件下，反激式开关电源的开关流过的电流峰值和有效值大于正激式、桥式、推挽式开关电源。为了获得更低的输出电压尖峰，通常的反激式开关电源工作在电感电流（变压器储能）断续状态，这就进一步增加了开关元件的电流额定。 开关电源的电路拓扑对输出整流滤波电容器影响也是非常大的，由于反激式开关电源的输出电流断续性，其交流分量需要由输出整流滤波电容器吸收，当电感电流断续时输出整流滤波电容器的需要吸收的纹波电流相对最大。 对应的输出整流二极管的电流波形如图1，输出滤波电容器的电流波形如图2。**2recM on O I t I T = 图1 反激式开关电源的输出整流二极管的电流波形 图2 输出滤波电容器的电流波形 由图1可以得到流过输出整流二极管电流峰值与平均值、有效值的关系为如下。 流过输出整流器的峰值电流与平均值电流的关系： 根据电荷相等，可以得到： **2recM on O I t I T = （1） 可以得到整流二极管电流的峰值： max 2D I I O recM ?= （2） 流过输出整流器的有效值电流与峰值电流的关系： 3*max D I I recM recrms = （3） 流过整流器的有效值电流与平均值电流的关系：
O recrms I D I *32max = （4） 式中：I recM 、I recrms 、I O 、D max 分别为流过输出整流器的峰值电流、有效值电流、平均值电流和输出整流二极管的最大导通占空比。 流过输出滤波电容器的电流有效值略小于流过输出整流器的有效值电流。 式（2）、（3）、（4）表明，随着输出整流器导通占空比的减小，相同输出电流平均值对应的峰值电流、有效值电流随占空比的减小而增加。 在大多数情况下，反激式开关电源工作在变压器电流临界或断续状态。在变压器电流临界状态下，初级侧开关管导通占空比与输出整流器导通占空比相加为1。 在大多数情况下，反激式开关电源的输出整流器的最大导通占空比约为0.5。这样，流过输出整流器的电流峰值与输出平均值电流之间的关系为： O O O recM I I D I I 45.022=?=?= （4） 有效值电流与输出电流平均值的关系为： O recM recM recrms I I I D I *631*35.0*3=== （5） 2．设计实例与分析 某反激式开关电源的技术参数为：电路图拓扑：反激式；输入电压：85V ac~264V ac 工作频率：65kHz ；输出：12V/5A ；纹波电压：50mV ；CLC 滤波。 （1）第一级滤波电容器的选择 对于输出电流5A 对应的峰值电流为20A 、有效值电流为14.14A ，其中大部分流入滤波电容器。按最高温度的纹波电流2倍选用电容器，滤波电容器的纹波电流之和至少要7A 。 25V/1000μF 低ESR 铝电解电容器的额定纹波电流约为1A ，需要7只并联。如果非要5只并联甚至4只并联，也是可以运行的，但是不具有长期可靠性。 25℃温度下，25V/1000μF 低ESR 铝电解电容器的ESR 约为0.09Ω。7只并联对应的ESR 为129mΩ、5只并联为180mΩ、4只并联为225mΩ。由电流变化在ESR 上产生的峰值电压分别为2.59V 、3.60V 、4.50V 。除此之外，滤波电容器的ESL 还会在整流二极管开通时由于电流的跃变而产生感生电势，这个感生电势同样会加到滤波电容器上，因此，滤波电容器上的峰值电压将不只是上述的2.59V 、3.60V 、4.50V 。其电压波形如图3。 图3 第一级滤波电容器的电压波形 很显然，2.59V 、3.60V 、4.50V 是不能满足设计要求的，需要在第一级滤波电容器后面加上一级LC 低通滤波器。 （2）第二极LC 低通滤波器的设计与参数选择
开关电源中各类电容的正确选择方法 深圳市森树强电子科技有限公司 电容可用来减少纹波并吸收开关稳压器产生的噪声，它还可以用于后级稳压，提高设备的稳定性和瞬态响应能力。电源输出中不应出现任何纹波噪声或残留抖动。这些电路常采用钽电容来降低纹波，但钽电容有可能受到开关稳压器的噪声影响而产生不安全的瞬变现象。为保证可靠工作，必须降低钽电容的额定电压。例如，额定值为10uF/35V的D型钽电容，工作电压应降低到17V，如果用在电源输入端过滤纹波，额定35V钽电容可在高达17V的电压导轨上可靠地工作。 高压电源总线系统一般很难达到额定电压降低50%的指标。这种情况限制了钽电容用于电压导轨大于28V的应用。目前，由于钽电容需要被降额使用，高压滤波应用唯一可行的办法是采用体积较大且带引线的电解电容，而不是钽电容。 大电容是退耦电容，即相当于给下级IC提供了一个电荷水池，大电容电压不突变，所以，如果下级IC的IO口转换剧烈，需要大电流时，从退耦电容中提取电流，不会拉低开关电源电压，从这个意义讲，大电容免除下级IC对电源的影响。小电容是作用正好相反，是滤波电容，即电源电压通过整形滤波之后出来的电压仍不可避免的有各次波谐波分量，即有交流分量，所以小电容是免除电压波动对下级IC的影响的。 1、EMI滤波电容的选择
能滤除电网线之间的串模干扰的电容器，称作“X电容”（一般选择X2，常用容量范围是1nF~1uF，并联在电网之间）能滤除由一次绕组、二次绕组耦合电容产生的共模干扰电容器，称作“Y 电容”，一端接一次侧直流高压，另一端接二次侧公共端（用于滤除10~200MHz 频段的高频干扰，因此需要用短引线连接，常用容量范围是1~2.2nF 耐压值一般不低于1.5kV） 2、旁路电容和去耦电容 去耦电容在集成电路的电源和地之间有两个作用： 2.1、旁路掉该器件的高频噪声。 （数字电路中典型的去耦电容值是0.1uF，最好不用电解电容，去耦电容的选用经验算法：C=1/F,即10MHz 取0.1uF，100MHz 取0.01uF） 在电子电路中，旁路电容和去耦电容都是起到抗干扰的作用，因为电容处的位置不一样，称呼也就不一样了。对于同一个电路来说，旁路电容就是把输入信号的高频噪声作为滤除对象，把前级携带的高频杂波滤除；而去耦电容也称退偶电容，就是把输出信号的干扰作为滤除对象。总之一句话，旁路，退偶，都是作用于高频干扰。所以电容值要取小。具体要根据实验结果来定。 2.2、作为集成电路的蓄能电容。 3、输入输出滤波电容器的选择 3.1、输出滤波电容器的选择 3.1.1、为减小输出噪声，可以在电解电容器上再并一只0.01~0.1uF的小电容。
开关电源中电容器的选择 赵修科 2005.6
一、电容器的基本原理 结构：电容器的基本结构是由两块导体极板，中间隔离有 不同的电介质（绝缘体）组成 。其符号如图（b)所示。 充电：当两个端子接到电源时，电源正极将相连极板电子吸走，留下正电荷；而负极向另一极板同时送人相等电子。在外电路形成电流。直到极板电压等于极板两端电压。
定义：601085836?×====d A .d A d A d A C r r r επεεεεCU Q =或U Q C =电容量与结构和介质有关：μF ε＝ε0εr ε0 =8.85×10-12F/m(1×10-9/36π) A －极板面积（m 2); d －极板间距离（m)通常电容器名称是以介质材料来命名的
表1 一些材料的相对介电常数 材料ε r 材料εr 空气 1.0橡胶 2.7蒸馏水8.0云母6~7.5 腊纸 4.3玻璃 5.5~8 矿物油 2.2陶瓷 5.8 尼龙 3.55氧化铝7.5~10聚酯薄膜3.1 导热硅脂 3.9~4.3人造云母5.2 聚四氟乙烯 1.8~2.2
电容电路中电流 电容存储的能量200021CU Cudu dt dt du uC uidt W U t t ====∫∫∫t U C t Q i d d d d ==(J)电容电压不能突变 正弦交流(u =U m sin ωt )电路中的电容 )/t (I t X U t C /U t U C t u C i m c 2sin cos 2cos 12cos 2d d πωωωωωω+=====C X C ω1=式中
二、电容器的主要参数 1.容量：单位－F ，（mF ），μF ，nF ，pF 标称值－和电阻相同。按照公差等级决定序列。如公差10%：1.0，1.2，1.5，1.8， 2.2，2.7， 3.3， 4.7和6.8等，像4.7μF ，0.047μF ，47pF 等等 误差等级－±1%（00）级，±2%(0)级，±5%（Ⅰ）级，±10%（Ⅱ）级和±20% （Ⅲ）级 容量标注在外壳上，测试条件为25°C ，>1μF 测试频率为120Hz ，1μF >C>1nF 测试频率为1kHz
开关电源的X电容设计准则： 参考AD1118 X电容放置原则： 1.共模扼流圈前：105/275VAC(MKP/X2) 2.共模扼流圈后：474/275VAC(MKP/X2) 参考MW SP200-12 X电容放置原则： 1.共模扼流圈前：1uF/275VAC(MKP/X2) 2.共模扼流圈后：0.33uF/275VAC(MKP/X2) 参考MW S145-12 X电容放置原则： 1.共模扼流圈前：0.22uF/MKP-X2-250VAC/275VAC(GS-L) 2.共模扼流圈后：0.1uF/MKP-X2-250VAC/275VAC(GS-L) 一般两级X电容，前一级用0.47uF,第二级用0.1uF；单级则用0.47uF.目前还没有比较方便的计算方法。（电容容量的大小和电源的功率无直接关系） 开关电源的Y电容设计准则： 大地=PGND（or CHGND） 参考AD1118 Y电容放置原则： 1.市电输入L/N线对大地：（2颗472/250V Y2） 2.市电经过一级共模扼流圈后的两线对大地：（2颗472/250V） 3.整流桥输出的低压端（变压器初级低压端）对大地：（1颗222/250V） 4.6组低压直流输出88V1对大地：（各1颗103/1KV Y1) 5.6组低压输出辅助电源AGND（变压器次级低压端）对大地：（共用1颗103/1KV Y1) 6.变压器初级低压端对变压器次级低压端：(共用1颗103/1kV Y1) 参考AD1043的设计： 1.市电输入L/N线对大地：（2颗222/250V Y2） 2.市电经过1级共模扼流圈后的两线对大地：（2颗472/250V Y2） 参考康殊电子的设计： 1.市电输入L/N线对大地：（2颗102/250V Y2） 2.市电经过2级共模扼流圈后的两线对大地：（2颗102/250V Y2） 3.整流桥输出的低压端（变压器初级低压端）对大地：（1颗332/250V Y2）
开关电源输出整流滤波电容器选择 前言 开关电源的输出整流滤波电容器的作用主要是通过利用滤波电容器吸收开关频率及其高次谐波频率的电流分量而滤除其纹波电压分量。也就是说是利用电容器的低阻抗而将交流电流分量的绝大部分，更希望是全部分流到滤波电容器上，使输出电流没有或非常小的交流电流分量。 无论正激式开关电源工作输出的矩形波电流，还是反激式开关电源的锯齿波电流，均含有极其丰富的高次谐波电压与电流。这些高次谐波电流是不允许作为输出电流成分流入负载，需要采用高频阻抗低的电容器对其分流短路。这要求滤波电容器应具有很好的阻抗频率特性，这与工频整流滤波对电容器要求大电容量的要求有所不同的（工频整流滤波很容易滤除工频的高次谐波，即使是40次也不过才2000Hz，一般电解电容器很容易实现）。因此开关电源的输出整流滤波电容器即使选用铝电解电容器也应首选低ESR的铝电解电容器，而绝不能随意到电子市场抓到什么样的铝电解电容器（只要电压、电容量满足要求）均可。这样作的结果将是电源的输出纹波电压过高，特别是峰-峰值电压过高。 1．输出滤波电容器对输出纹波电流的旁路作用 输出整流滤波电容器的任务主要是旁路开关电源输出的高频交流纹波电流分量，相当于电源的交流等效电路中旁路电容器与负载分享纹波电流，如图1。 图1 旁路电容器与负载分享纹波电流的交流等效电路 图中，电流源等效为开关电源的逆变器部分产生的交流纹波电流。在高频段，输出整流滤波电容器的容抗已经小于电容器的ESR，电容器的容抗可以忽略，这时的纹波电流只剩下旁路电容器的ESR与负载分担。很显然，如果旁路电容器的ESR比较大就会变成负载与旁路电容器的ESR分享纹波电流，这样，旁路电容器的分流效果将大打折扣，影响旁路效果。所以除了对电容量的要求外，还希望旁路电容器的ESR越小越好。 2．不同电路拓扑要求不同输出滤波特性 （1）正激式开关电源要求的输出滤波特性 输出滤波电解电容器的性能直接影响开关电源的性能，那么开关电源的电路拓扑和电路设计的合理性是否反过来也影响输出滤波电容器的工作和寿命？结论是肯定的。通常开关电源的主回路的电路拓扑主要有：反激式（包括电流连续与电流断续）、单管正激（包括双管箝位和有源箝位）、半桥与全桥、推挽电
开关电源对电解电容器性能的基本要求 闫晓金潘艳陈永真辽宁工业大学121001 摘要：随着开关电源设备小型化、轻便化和集成电路的迅猛发展，本文分析了开关电源的发展对作为构成开关电源的重要元件电解电容器性能的要求，即也必须实现小型化、高频低阻抗化、长寿命化和耐纹波电流。 关键词：开关电源；电解电容器；低阻抗；长寿命 Basic Requires of Electrolytic Capacitor Performance by SMPS Yan Xiaojin Pan Yan Chen Yongzhen LiaoNing University of Technology, 121001 Abstract：Along with the switching power supply equipment miniaturization, facile and the integrated circuit swift and violent development, the require of electrolytic capacitor performance by the development of switching power supply is analyzed in this article, electrolytic capacitor is the important part of switching power supply. namely also had to realize the miniaturization, the high frequency low impedance, the long life and large ripple current resistance. Key words：switching power supply；electrolytic capacitor；low impedance；long useful life 电解电容器是开关电源中一次和二次回路滤波电路中最重要的器件之一。通常，电解电容器的等效电路可以认为是理想电容器与寄生电感、等效串联电阻的串联，如图1所示。 图1 电解电容器的等效电路 众所周知，开关电源是当今信息家电设备的主要电源，为电子设备小型轻便化作出不可磨灭的贡献。开关电源不断的小型化、轻量化和高效率，在电子设备中使用量越来越大，普及率越来越高。相应的就要求电解电容器小型大容量化，耐纹波电流，高频低阻抗化，高温度长寿命化和更适应高密度组装。 1 大容量、小体积 由于电解电容器多数采用卷绕结构，很容易扩大体积，因此单位体积电容量非常大，比其它电容大几倍到几十倍。但是大电容量的获取是以体积的扩大为代价的，现代开关电源要求越来越高的效率，越来越小的体积，因此，有必要寻求新的解决办法，来获得大电容量、小体积的电容器。 在开关电源的原边一旦采用有源滤波器电路，则铝电解电容器的使用环境变得比以前更为严酷：（1）高频脉冲电流主要是20 kHz~100kHz的脉动电流，而且大幅度增加；（2）变换器的主开关管发热，导致铝电解电容器的周围温度升高；（3）变换器多采用升压电路，因此要求耐高压的铝电解电容器。这样一来，利用以往技术制造的铝电解电容器，由于要吸收比以往更大的脉动电流，不得不选择大尺寸的电容器。结果，使电源的体积庞大，难以用于小型化的电子设备。为了解决这些难题，必须研究与开发一种新型的电解电容器，体积小、耐高压，并且允许流过大量高频脉冲电流。另外，这种电解电容器，在高温环境下工作，工作寿命还须比较长。
对于开关纹波，理论上和实际上都是一定存在的。通常抑制或减少它的做法有三种： 1，加大电感和输出电容滤波 根据开关电源的公式，电感内电流波动大小和电感值成反比，输出纹波和输出电容值成反比。所以加大电感值和输出电容值可以减小纹波。 同样，输出纹波与输出电容的关系：vripple=Imax/(Co×f)。可以看出，加大输出电容值可以减小纹波。 通常的做法，对于输出电容，使用铝电解电容以达到大容量的目的。但是电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好，而且ESR也比较大，所以会在它旁边并联一个陶瓷电容，来弥补铝电解电容的不足。 同时，开关电源工作时，输入端的电压Vin不变，但是电流是随开关变化的。这时输入电源不会很好地提供电流，通常在靠近电流输入端(以BucK型为例，是SWITcH附近)，并联电容来提供电流。 上面这种做法对减小纹波的作用是有限的。因为体积限制，电感不会做的很大；输出电容增加到一定程度，对减小纹波就没有明显的效果了；增加开关频率，又会增加开关损失。所以在要求比较严格时，这种方法并不是很好。关于开关电源的原理等，可以参考各类开关电源设计手册。 2，二级滤波，就是再加一级LC滤波器 LC滤波器对噪纹波的抑制作用比较明显，根据要除去的纹波频率选择合适的电感电容构成滤波电路，一般能够很好的减小纹波。 采样点选在LC滤波器之前(Pa)，输出电压会降低。因为任何电感都有一个直流电阻，当有电流输出时，在电感上会有压降产生，导致电源的输出电压降低。而且这个压降是随输出电流变化的。 采样点选在LC滤波器之后(Pb)，这样输出电压就是我们所希望得到的电压。但是这样在电源系统内部引入了一个电感和一个电容，有可能会导致系统不稳定。关于系统稳定，很多资料有介绍，这里不详细写了。 3，开关电源输出之后，接LDO滤波 这是减少纹波和噪声最有效的办法，输出电压恒定，不需要改变原有的反馈系统，但也是成本最高，功耗最高的办法。任何一款LDO都有一项指标：噪音抑制比。是一条频率-dB曲线，如右图是凌特公司LT3024的曲线。 对减小纹波。开关电源的PCB布线也非常关键，这是个很赫手的问题。有专门
避免DC-DC电源输出端带大电容满载启动时发生过流保护的方法 引言 随着大规模集成电路的核心电压越来越低，所需供电电流却越来越大，用于大规模集成电路供电的DC-DC 开关电源也必须满足在极低输出电压下可提供高达数十安培电流的要求，这给电源设计带来了极大的挑战。实际应用中，DC-DC开关电源往往需要外接一组很大的电容以降低电源在负载变化时在输出端产生的电压跳变，在这种情况下，如果电流检测电路设计不当，在输出端外接很大电容且加满载启动时，就很容易在启动过程中引发过流保护，从而导致DC-DC电源无法正常启动。 电源输出端带大电容满载启动时可能遇到的问题 DC-DC电源在给大规模集成电路供电时，输出电压一般很低，而输出电流却很大。以输出电压为3.3V 的八分之一砖模块为例，现在主流的输出电流规格一般为30A。为了防止输出电压在负载变化时跳变过大，在应用3.3V/30A的八分之一砖模块时，其输出端一般需要外接约10000μF的电解电容。 输出电流以25%的比例变化时，输出电压变化量的计算过程如下。 输出电流的变化为30A×25%=7.5A。 输出端外接10000μF电容时，如果电源的动态恢复时间为100μS，那么在负载发生25%变化时电源输出电压的跳变约为： 对于输出电压为3.3V的开关电源，150mV大约相当于输出电压的4.55%，小于一般集成电路供电要求的±5%，可以满足系统中集成电路的需求。 然而，对于开关电源来说，当输出端的外部接10000μF电容时，在开关电源启动的过程中，输出端不得不持续为这组大电容充电，由于电容的等效阻抗很低，电源相当于被这个10000μF的电容短路，这样就造成开关电源在带大电容启动时一直处于被短路的状态。如果启动电路和过流检测电路设计不当，在这种情况下，很容易造成在带大电容启动时开关电源一直处于过流保护状态(OCP)而无法正常启动和输出额定电压，这一过程如图1所示。