基于高壓陶瓷電容設計的開關電源優(yōu)勢分析
現(xiàn)代電源技術中，無論是線性電源還是開關電源，鋁電解電容都是必不可少的關鍵器件。然而，在行業(yè)內(nèi)常規(guī)的AC-DC電源設計中，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，有沒有一種既能替代傳統(tǒng)鋁電解電容，又能提高電源可靠性和壽命的器件呢？本文著重從高壓陶瓷電容與傳統(tǒng)鋁電解電容的優(yōu)劣勢對比進行探討與分析。
一、鋁電解電容的設計缺陷
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)開關電源中整流濾波的關鍵器件。電解電容是由鋁圓筒做負極，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，最終導致電容失效。一旦鋁電解電容失效，因其劇烈反應形成壓力，就會釋放出易燃、腐蝕性氣體，導致AC-DC模塊電源失效。
根據(jù)鋁電解電容的物理結構，可以電路等效，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計替代并優(yōu)化電解電容的基本功能，成功設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。
1）高效、環(huán)保
LN系列采用填谷電路進行設計，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1所示：
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
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，大部分電源需應用在較高的環(huán)境溫度中，這些都會導致電解液的揮發(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格的環(huán)境要求，對電源產(chǎn)品的壽命、可靠性的設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。
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)部電解液導致的高低溫性能差問題；避免因電解液的揮發(fā)導致電容容值下降、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：
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，充分考慮到不同應用場合、不同的設計要求，對產(chǎn)品的EMC性能進行了全面的升級優(yōu)化。在模塊內(nèi)部通過PCB設計、采用多級EMC濾波等方式實現(xiàn)在無任何外圍防護器件的情況下EMI滿足CLSSB，防浪涌能力達4級。
三、總結
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。
一、鋁電解電容的設計缺陷
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)開關電源中整流濾波的關鍵器件。電解電容是由鋁圓筒做負極，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，最終導致電容失效。一旦鋁電解電容失效，因其劇烈反應形成壓力，就會釋放出易燃、腐蝕性氣體，導致AC-DC模塊電源失效。
根據(jù)鋁電解電容的物理結構，可以電路等效，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計替代并優(yōu)化電解電容的基本功能，成功設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。
1）高效、環(huán)保
LN系列采用填谷電路進行設計，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1所示：
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
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，大部分電源需應用在較高的環(huán)境溫度中，這些都會導致電解液的揮發(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格的環(huán)境要求，對電源產(chǎn)品的壽命、可靠性的設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。
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)部電解液導致的高低溫性能差問題；避免因電解液的揮發(fā)導致電容容值下降、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：
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，充分考慮到不同應用場合、不同的設計要求，對產(chǎn)品的EMC性能進行了全面的升級優(yōu)化。在模塊內(nèi)部通過PCB設計、采用多級EMC濾波等方式實現(xiàn)在無任何外圍防護器件的情況下EMI滿足CLSSB，防浪涌能力達4級。
三、總結
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。
| 【上一個】 什么叫開關電源的老化測試 | 【下一個】 淺談高頻開關直流電源的保護技術 |
| ^ 基于高壓陶瓷電容設計的開關電源優(yōu)勢分析 |