摘要：直流電源是電子設(shè)備的重要組成部分, 功率較小的直流電源大多采用線性穩(wěn)壓電源。在設(shè)計(jì)線性穩(wěn)壓電源時(shí), 電容器作為其中的關(guān)鍵元件之一, 必須合理選擇才能保證線性穩(wěn)壓電源具有良好的性能。

0 引言

線性穩(wěn)壓電源屬于直流穩(wěn)壓電源, 在輸入電壓波動(dòng)、負(fù)載變化時(shí)輸出電壓調(diào)整的速度相對(duì)較快。這種直流電源輸出的紋波較小, 工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲較低, 是一種比較安全的電源設(shè)備, 在工業(yè)儀表、儀器控制等領(lǐng)域仍然有廣泛的應(yīng)用。

電容器是線性穩(wěn)壓電源中一個(gè)關(guān)鍵的元件, 其性能的好壞直接影響著直流穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)。因此, 在設(shè)計(jì)線性穩(wěn)壓電源時(shí), 必須合理選擇電容器。

1 電容器的等效電路與頻率特性1.1 電容器的等效電路

實(shí)際電容的等效電路是由等效串聯(lián)電阻ESR、標(biāo)稱電容C和等效串聯(lián)電感組成。

圖1

1.1.1 等效串聯(lián)電阻ESR

ESR是電容內(nèi)所有損耗的綜合, 由介質(zhì)損耗和金屬損耗組成。介質(zhì)損耗由介質(zhì)材料的特性決定, 每種介質(zhì)材料有不同的損耗, 這一損耗的結(jié)果會(huì)使電容發(fā)熱;金屬損耗由電容結(jié)構(gòu)中金屬材料的導(dǎo)電性能決定, 包括電極、引腳和其它金屬, 這類損耗包括歐姆損耗和高頻的“趨膚效應(yīng)”損耗, 因電容結(jié)構(gòu)不同而有很大差異。

1.1.2 標(biāo)稱電容C

一般是指在1KHz, 1V等效AC電壓, 直流偏壓為0V情況下測(cè)到的。

1.1.3 等效串聯(lián)電感ESL

ESL是由于電容的引線產(chǎn)生的電感, 在低頻時(shí)感抗較小, 可忽略, 如選用貼片電容, 一般不用考慮ESL。

1.2 電容器頻率特性

X7R電容的頻率特性如圖2所示。由圖可知, 電容ESR與電容封裝大小無(wú)關(guān), 與電容的標(biāo)稱容量相關(guān)。

2 線性穩(wěn)壓電源電路中常用電容的特性

線性穩(wěn)壓電源電路中通常會(huì)用到三種電容:陶瓷電容、鉭電容和鋁電解電容, 三種電容器實(shí)物如圖3所示。

2.1 陶瓷電容

陶瓷電容結(jié)構(gòu)與電路模型如圖3所示, 由電極和陶瓷電介質(zhì)材料交替層構(gòu)成, 貼片電容目前使用較多的有NPO、X7R、Y5V等。這三種規(guī)格的電容填充介質(zhì)不同, 在相同的體積下構(gòu)成的電容器的容量、介質(zhì)損耗、容量穩(wěn)定性等也就有所差異。

圖2 X7R電容器頻率特性圖3 圖4 陶瓷電容結(jié)構(gòu)與電路模型

2.1.1 NPO電容器

NPO是一種最常用的陶瓷電容器, 它的填充介質(zhì)是銣、釤和其它稀有氧化物, 具有溫度補(bǔ)償特性,電容量和介質(zhì)損耗相對(duì)來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定線性穩(wěn)壓電源 c級(jí)串電阻, 但材質(zhì)的介電常數(shù)小, 因此容量不可能太大, 一般在0.033u F左右。

NPO在溫度從-55℃到+125℃時(shí)容量變化為0±30ppm/℃, NPO電容的漂移或滯后小于±0.05%, 相對(duì)大于±2%的薄膜電容來(lái)說(shuō)是可以忽略不計(jì)的, 其典型的容量相對(duì)使用壽命的變化小于±0.1%, 在絕大多數(shù)的電路中都可以滿足要求。NPO電容器適合用于振蕩器、諧振器的槽路電容以及高頻電路中的耦合電容。

2.1.2 X7R電容器

在相同的體積下X7R電容器的容量可以做得比較大, 而且X7R電容器的溫度穩(wěn)定性很好, 當(dāng)溫度在-55℃到+125℃時(shí)其容量變化為15%, X7R電容器主要用在要求不高的工業(yè)場(chǎng)合。

2.1.3 Y5V電容器

Y5V的介電常數(shù)較高, 在較小的物理尺寸下可以制造出高達(dá)幾十微法的電容器。在-30℃到85℃范圍內(nèi), Y5V電容器的容量變化可達(dá)+22%到-82%, 最大介質(zhì)損耗達(dá)5%。盡管如此, 由于它體積較小、ESL和ESR都比較低、頻率響應(yīng)很好, 在退耦和濾波電路中應(yīng)用比較廣泛。

2.2 鉭電容

鉭電容結(jié)構(gòu)與電路模型如圖5所示。鉭電容無(wú)論是原理和結(jié)構(gòu)都像一個(gè)電池, 用鉭絲緊緊圍繞鉭正極, 在表面生長(zhǎng)氧化物;在負(fù)極通過(guò)浸漬以及熱轉(zhuǎn)換 (Mn→Mn O2) 形成, 最后用環(huán)氧樹(shù)脂包封。