滤波电路和放电路对片式钽电容器参数性能的不同选择

一,滤波电路中使用的片式钽电容器的性能选择

    滤波电路是片式钽和氧化铌电容器最常用电路, 电容器使用在此类电路中的作用主要是为了过滤掉直流信号中的交流杂波. 由于电路中可能存在的交流纹波杂波的频率不同, 不同阻抗等级的电容器只能适合于不同的纹波频率滤波要求,因此,为了保证较好的滤波效果,一定要根据电容器容量和频率及阻抗大小来选择电容器种类和电容器阻抗值的高低.

      电容器的阻抗ESR和容量C及测试或滤波频率f之间的关系见下式;

ESR= tgδ/2πfC

这里： f 是频率，单位是 Hz, ，C是电容器的容量，单位为法拉。ESR 测试条件是： 20℃ 和 100KHz.

             tgδ是电容器的损耗,单位是%,是指电容器的无功功率和总输入功率的比值.

ESR是阻抗的成分之一， 在高频时(100KHz 和以上) ，它成为支配因素，因此 ESR 和阻抗在低频时几乎变成同一回事，阻抗只是在测试频率的两个极限边缘处上稍高。ESR的高低实际上可以衡量电容器的高频特性如何. ESR低的产品可以保证电容器在频率较高时仍然具有合适的滤波效果.而ESR偏大的产品,如果使用在滤波电路, 会由于阻抗在高频下向感抗转化而导致容量下降幅度变大,因此,滤波效果将变差,即使经过滤波电容器,直流信号中的交流纹波信号波幅将仍然偏大.

因此,使用在滤波电路中的电容器,必须尽可能具有更低的阻抗ESR才能保证较好的滤波效果.

另外,由于不同阻抗的电容器只能过滤掉不同频率的交流纹波,因此,在选择电容器类型和阻抗高低时,设计师必须首先知道电路中需要过滤掉的交流纹波的频率到底是多少,这样,就可以通过上面的公式计算出应该使用的电容器的阻抗等级高低.不能只是通过实验才能知道选择的电容器容量及ESR和种类是否合适.

一般来讲,ESR低的产品的滤波特性将更好是一个普遍原则,但很多使用者了解不够的是ESR还对电容器的工作可靠性影响很大;这是因为ESR偏高的产品在通过的交流纹波较高时产品会发热,如果ESR过大, 电路中的交流纹波又偏高,那么就有可能出现热击穿现象.不同ESR大小的电容器可以安全承受的交流纹波电流和交流纹波电压见下式;

  使用在滤波电路中的电容器中实际的功率损耗可以利用下面的公式计算：

 P=I2 × ESR……………….公式 1

这里：   P:    功率损耗 (瓦特)

         I:     波纹电流 (安倍)

         ESR:  等效串联电阻 (Ω)

表 1 额定损耗

 片式钽电容器可以安全承受的交流波纹电流

利用表1中的最大功率损耗，可以利用下面的公式计算最大波纹电流(Arms)：

           I=√P/ESR×K×F………………….公式 2

这里：    K：      温度降额因子….表 2

          F：      频率降额因子……表 3

          ESR：  参考额定值

表 2:  温度降额因子K

表 3: 频率降额因子F

可以安全承受的交流波纹电压E利用公式3计算：.

          E=Z×I………………………….. 公式 3

这里：    E：      波纹电压

           Z：     具体频率下的阻抗

值得非常注意的是,由于滤波电路肯定都是阻抗很低的开关电源电路,因此,在每次开关机时,电路中必然存在一个持续时间达到纳秒级的大电流高电压脉冲,此脉冲对电路中的元件的可靠性破坏性巨大,尤其是会导致电容器瞬间过压过流而突然击穿;导致根本不能承受大电流和高电压的大规模集成电路瞬间烧毁,因此,在电路设计时,必须采用保护性设计，同时使用电压不能超过额定电压的1/3.

为了保证滤波电路中的电容器阻抗选择合适,具有较好的滤波效果的同时还具有更高的可靠性,电路设计师必须对上面的建议认真理解.

二.脉冲充放电电路中片式钽电容器的性能选择;

脉冲充放电电路使用的片式钽电容器,一般都是用来作为电路的二级或次级瞬时电源,通过一定频率的突然放电为后续功率性元件提供高功率密度的能量.

此类电路中使用的电容器一般都具有较大的容量和较高的额定电压.

由于电容器在瞬间通过大电流时自有阻抗会导致电容器发热,因此,不同阻抗的电容器可以安全承受的直流浪涌电流见下式;

I=UR/1+ESR

这里的UR就是该电容器的额定电压,1是指放电回路的电路电阻.

ESR就是电容器的等效串联电阻.

从上式中可以看出,如果电容器的ESR更低,将可以承受更高的直流浪涌电流冲击.可靠性因此也将更高.

另外,电路设计师还需要了解不同电路功率密度要求和电容器工作电压及容量之间的数学关系;

如果电路正常工作时的输入功率为P，储能电容的容量为C，其两端的电压为U1，则电容储存的能量为

            W1=C（U1**2）/2，

 其中U1**2表示U1的平方

当输入电源掉电后，经过时间t, 电容两端的电压为U2，此时电容剩余的能量为

            W2=C（U2**2）/2， 

在这一过程中储能电容释放的能量

            W=W1-W2=C（U1**2-U2**2）/2，

它应该等于电路维持正常工作所需的能量

             W=Pt,   （即输入功率乘以时间）

所以有

             C（U1**2-U2**2）/2=Pt，

由此就可以得到电路维持时间t所需的最小电容量为

             C=2Pt/（U1**2-U2**2）.

在实际应用中，U2是电路能够正常工作的最低输入电压.

举例：

若电路正常工作时的输入电压为28V（U1），输入功率为30W（P），能够正常工作的最低输入电压为18V（U2），要求输入电源掉电50毫秒（t）时电路仍然能够工作，则所需储能电容的最小的电容量为

C=2 Pt/（U1**2-U2**2）

 =2?30?50/（28**2-18**2）

=3000/（784-324）

=6.522mF=6522mF

 一个使用在电源电路前端的储能电容器，输入电压是50V，当短电后，电容器开始为后续电路提供能量， 在提供能量75W时，必须保持电压不低于18V，请计算需要的电容量。

此电路还需要一个准确的回路电阻。回路电阻大小决定需要的电容器的容量大小。

此电路中各参数性能的换算公式如下；

 C=R*PT*T/U1-U2

式中；

C；需要的电容量

R；回路总电阻

PT；回路需要保持的功率

T；回路功率保持时间

U1；输入电压

U2；能够保持一定功率和放电时间的电压

使用在脉冲充放电电路中的电容器,对可靠性影响有决定性影响的是电容器的实际耐压. 由于各家公司生产的相同规格的片式钽电容器的实际耐压相差较大,因此,质量较差的公司从来都不敢告诉用户使用在此类电路中的电容器对可靠性影响较大的漏电流应该控制到什么水平.因为,他们可能根本就做不到.

这样,很多实际质量很差的电容器就稀里糊涂被很多用户使用, 由于实际耐压根本不够的电容器就不断出现失效问题.

钽电容器的实际漏电流和实际耐压及介质层绝缘之间存在如下关系;

I=U/R

此式现在并不能等同于欧姆定律来简单理解.它只能这样理解;当电容器的漏电流较大时,其实际耐压就会下降.绝缘电阻也会下降.

换句话说;实际漏电流更小的电容器的实际耐压将更高,因此,电容器的可靠性将更高.特别是钽电容器的高温状态下的漏电流大小将对电容器使用在大功率放电电路中的可靠性有决定性的影响.

此点非常重要.

作为使用者必须清楚地明白此点并选择实际漏电流最小的片式钽电容器才能保证可靠性达到要求.

希望我的介绍能够对此类电路的设计师有些用处.