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高壓電容助陣,打造零缺陷AC-DC電源無壓力

發(fā)布時間:2015-04-13 責(zé)任編輯:sherry

【導(dǎo)讀】終于有了一種既能替代傳統(tǒng)鋁電解電容,又能提高電源可靠性和壽命的器件——高壓陶瓷電容。本文著重從高壓陶瓷電容與傳統(tǒng)鋁電解電容的優(yōu)劣勢對比進(jìn)行探討與分析。
 
在設(shè)計開關(guān)電源的時候無論是線性電源還是開關(guān)電源,其中的高壓電容已經(jīng)逐漸成為電源工程師設(shè)計電源的新寵。因為在行業(yè)內(nèi)常規(guī)的AC-DC電源設(shè)計中,鋁電解電容會給電源帶來高低溫條件下可靠性差、壽命短等問題。那么,有了一種既能替代傳統(tǒng)鋁電解電容,又能提高電源可靠性和壽命的器件,那就是高壓陶瓷電容。本文著重從高壓陶瓷電容與傳統(tǒng)鋁電解電容的優(yōu)劣勢對比進(jìn)行探討與分析。
 
一、鋁電解電容的設(shè)計缺陷
 
AC-DC電源轉(zhuǎn)換器,要實現(xiàn)交流到直流的變換,首先需要將交流電壓經(jīng)過整流濾波后形成一個穩(wěn)定、平滑的直流電壓給自身及外部器件供電。而電解電容由于具有單位體積內(nèi)電容量大、額定容量大(可實現(xiàn)法拉級)、價格低廉等優(yōu)點,常成為常規(guī)開關(guān)電源中整流濾波的關(guān)鍵器件。電解電容是由鋁圓筒做負(fù)極,里面裝有液體電解質(zhì),插入一片彎曲的鋁帶做正極制成,電解液在高溫和低溫等極端條件下,非常容易漏液和干涸,從而使其電氣屬性發(fā)生變化,最終導(dǎo)致電容失效。一旦鋁電解電容失效,因其劇烈反應(yīng)形成壓力,就會釋放出易燃、腐蝕性氣體,導(dǎo)致AC-DC模塊電源失效。
 
根據(jù)鋁電解電容的物理結(jié)構(gòu),可以用圖 1中所示的電路等效,其中CAK代表兩電極間的理想電容量;Rp是并聯(lián)電阻,代表了電容的漏電流成分;Rl代表了電容引出端及電極部分的串聯(lián)電阻成分;L代表了引出線和連接處的等效串聯(lián)電感成分。
鋁電解電容的性能主要依賴其中介質(zhì)部分,即陽極金屬氧化膜部分。除受初始工藝的影響外,在工作過程中,電解液也會不斷修補(bǔ)并增厚該氧化膜,隨著陽極金屬氧化膜的不斷增厚,鋁電解電容等效電路模型中的電容值C會不斷下降,等效串聯(lián)電阻ESR會不斷增大,同時陰極反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣又加速了電解液的揮發(fā),這些便是引起鋁電解電容退化的主要因素。
 
因而,雖然電解電容有著其他類型的電容無法替代的優(yōu)勢,但還是具有內(nèi)部損耗大、靜電容量誤差大、漏電流大、高低溫特性差等缺陷。故采用電解電容設(shè)計的常規(guī)AC-DC電源模塊在高低溫特性、可靠性、使用壽命等方面具有明顯的劣勢。
 
那么,如果AC-DC電源設(shè)計中不使用電解電容,電源產(chǎn)品將會怎樣呢?無電解電容的AC-DC電源模塊是否可避免上述致命缺陷?
 
日前,金升陽通過采用高壓陶瓷電容的填谷電路設(shè)計替代并優(yōu)化電解電容的基本功能,成功設(shè)計出滿足性能要求的無電解電容AC-DC電源模塊LN系列,解決了AC-DC電源因電解電容而帶來的產(chǎn)品大體積、壽命短、高低溫性能差等問題。
 
二、無電解電容產(chǎn)品的優(yōu)勢
 
與電解電容相比,陶瓷電容具有極低的ESR和ESL,能降低因寄生參數(shù)而引起的損壞風(fēng)險;同時,因陶瓷電容的電解質(zhì)在高低溫等極限條件下不易揮發(fā)、凝固,容量相對穩(wěn)定,能長時間保持電容的電氣特性,從而極大地提高了電源產(chǎn)品的高低溫性能和長期使用的可靠性。
 
LN系列采用填谷電路進(jìn)行設(shè)計,利用高壓陶瓷電容完美替代鋁電解電容,增加了整流管的導(dǎo)通角,使輸入電流波形從尖峰脈沖變得更接近正弦波,從而大幅度提高電源的功率因素(如表1所示),提高電源的轉(zhuǎn)換效率,更加利于環(huán)保節(jié)能,顯著降低總諧波失真。如圖所示:
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以下所有表中舊方案為采用電解電容的產(chǎn)品,新方案為采用填谷電路無電解電容的新產(chǎn)品。
3)穩(wěn)定的高低溫特性
2)產(chǎn)品壽命的提升
 
電源本身是一個功率器件,在正常工作時功率損耗通過熱的形式散發(fā)到外部,其內(nèi)部的變壓器、開關(guān)器件、整流二極管等都是發(fā)熱器件。除內(nèi)部因素外,大部分電源需應(yīng)用在較高的環(huán)境溫度中,這些都會導(dǎo)致電解液的揮發(fā),降低電解電容的使用壽命。
 
陶瓷電容采用特性最穩(wěn)定的陶瓷材料作為介質(zhì),特別是一類陶瓷電容(NOP)能實現(xiàn)-55℃~+125℃的工作環(huán)境溫度,容量變化不超過±30ppm/℃。電容溫度變化時,容值很穩(wěn)定,即具有溫度補(bǔ)償功能,適用于要求容值在溫度變化范圍內(nèi)穩(wěn)定和高Q值的線路以及各種諧振線路中;二/三類陶瓷(X7R)實現(xiàn)-55℃~+125℃的工作溫度范圍內(nèi),容量最大的變化為±15%。
 
從高壓陶瓷電容的介質(zhì)與鋁電解電容的電解液介質(zhì)本身的特性可以看出,陶瓷電容能夠承受更嚴(yán)格的環(huán)境要求,對電源產(chǎn)品的壽命、可靠性的設(shè)計都有著重要的意義,能夠很大程度地提高電源產(chǎn)品的使用壽命以及可靠性。
 
金升陽無電解電容AC-DC電源模塊LN系列通過采用填谷電路,利用高壓陶瓷電容成功替代鋁電解電容,能夠有效避免電解電容因內(nèi)部電解液導(dǎo)致的高低溫性能差問題;避免因電解液的揮發(fā)導(dǎo)致電容容值下降、電源產(chǎn)品壽命降低問題;甚至可以避免因電解液的劇烈噴發(fā)或者漏液引起的安全問題。
 
3)穩(wěn)定的高低溫特性
 
目前,大多數(shù)常規(guī)電解電容的額定工作溫度為105℃,但因電解電容在高溫條件下電解液易揮發(fā),電源本身發(fā)熱較大等原因,常規(guī)采用電解電容的AC-DC電源只能工作在70℃的環(huán)境條件下。要提高電源的工作環(huán)境溫度,必須采用價格更昂貴、體積更大的電解電容,或者以降額的方式實現(xiàn)高低溫條件下的應(yīng)用,下面以金升陽常規(guī)AC-DC電源產(chǎn)品在高低溫環(huán)境下的降額要求如圖:
3)穩(wěn)定的高低溫特性
金升陽LN系列能在成本、體積變化不大的情況下實現(xiàn)高溫工作,能滿足-40℃到70℃條件下無任何降額要求,可應(yīng)用在環(huán)境溫度較高/較低,且對電源產(chǎn)品的可靠性、使用壽命較高的場合,如路燈控制、LED等行業(yè)。
 
4)高EMC特性
 
金升陽無電解電容LN系列產(chǎn)品,充分考慮到不同應(yīng)用場合、不同的設(shè)計要求,對產(chǎn)品的EMC性能進(jìn)行了全面的升級優(yōu)化。在模塊內(nèi)部通過PCB設(shè)計、采用多級EMC濾波等方式實現(xiàn)在無任何外圍防護(hù)器件的情況下EMI滿足CLSS B,防浪涌能力達(dá)4級。
 
三、總結(jié)
 
本文中我們所用到的無電解電容AC-DC電源模塊LN系列的成功開發(fā)證明AC-DC電源設(shè)計中也可不使用電解電容。通過采用高壓陶瓷電容的填谷電路設(shè)計替代并優(yōu)化電解電容的基本功能,能夠完美解決電源模塊因電解電容本身固有缺陷而產(chǎn)生的高低溫性能差、可靠性差、使用壽命短等問題。
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