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深化了解电容,波纹和自发热

在评估纹波时,通常围绕纹波电压和纹波电流这两个组成部分来进行。在大多数应用中,纹波是工程师要最大限度抑制的一种电路状态。例如,在将交流电源转

在评价纹波时,一般环绕纹波电压和纹波电流这两个组成部分来进行。在大多数运用中,纹波是工程师要最大极限按捺的一种电路状况。例如,在将交流电源转换成安稳直流输出的AC-DC转换器中,要极力避免AC电源会以一种小幅、依据频率的改动信号叠加在DC输出之上的一种现象。可是,在其它状况下,波纹可所以种必要的规划功用,例如,时钟信号或数字信号就可运用电压电平的改动来切换器材的状况。

在后一种状况,对波纹的考量能够说恰当简略:不要让峰值电压超越电容的额外电压。可是,重要的是要紧记:峰值电压是最高纹波电压与电路中直流偏置电压之和。别的,对选用钽、铝和铌氧化物技能的电解电容来说,还有另一个需特别留意的当地:不要让纹波电压的最小值掉到零电位以下,因为这将导致电容作业在反向偏压条件。这一要求也适用于低频运用的II类陶瓷电容。

电容起着电荷库的效果,当电压添加时,它们被充电;电压下降时,它们向负载放电;它们实质上起着滑润信号的效果。电容将阅历改动的电压,并依据施加的电源,还或许有改动的电流,以及接连和间歇性的脉动功率。不管输入方式为何,电容电场阅历的改动将导致介电材猜中偶极子的振动,然后发生热量。这一被称为自发热的反响行为,是介电功能成为重要目标的主要原因之一,因为任何寄生电阻(ESR)或电感(ESL)都将添加能耗。

具有低损耗(即低ESR/DF和低ESL)的电介质将比高ESR和DF的电介质发热少;但这些参数也随频率改动,因为不同介电资料在不同频率规模可分别供给最佳功能(即,发热最少)。

电容电介质很薄,就电容的总质量来说,它或许仅占一小部分,所以在评价波纹时,也需考虑其结构中所用的其它资料。例如,无极性电容(如陶瓷或薄膜电容)中的电容板是金属的;而极性电容(如钽或铝),具有一个金属阳极(而在铌氧化物技能中,阳极是导电氧化物)和一个半导体阴极(如二氧化锰或导电聚合物)。在外部衔接或引脚上,还有各种导电触点,包含金属(如:铜、镍、银钯和锡等)和导电环氧树脂,当AC信号或电流经过这些资料时,它们都会有必定程度的发热。

要了解这些要素怎么发挥效果,咱们以运用固体钽电容在直流电源输出级滑润残留AC纹波电流为例。首要,因为这是一种极性技能,所以需求一个正电压偏置,以避免AC重量引起反向偏压状况的发生。该偏置电压一般是电源的额外输出电压。

图1:纹波电压叠加在偏置电压上。

Voltage: 电压

Time: 时刻

在咱们考虑纹波前,咱们有必要留意由施加的直流偏压发生的发热。电容不是抱负器材,一种寄生现象是跨接介电资料的并联电阻,该电阻将导致漏电流(DCL)的发生。这个小DC电流会导致发热,可是不像其它典型运用的纹波状况,该发热一般可忽略不计。一个100uF/10V贴片式钽电容,在室温下,其DCL不超越10uA(100uA@85℃),所以其最大功耗为1mW。

接下来,咱们看由在给定频率(等于“R”,相同频率下电容的ESR)下电流的纹波值发生的功耗(等于I2R,其间“I”是电流均方根[rms])。

咱们以调查一个正弦纹波电流及其RMS等效值下手。假如在某一频率,咱们使一个1A Irms的电流流经一个100mΩESR的电容,其发生的功耗是100mW。若接连供电,依据电容元件结构和封装资料的热容量、以及向周围散热所采纳的一切办法(例如:对流、传导和辐射的组合),该电流将使电容在内部发热,直到它与周围环境到达平衡。在这种状况,纹波发热是DC漏电流发热的100倍,因而后者(如前所述)能够忽略不计。可是,当评价一款新电容时,首选查看DC漏电流发热总是个挑选。

在界说了决议由所加纹波导致的自发热的若干要素后,咱们现在能够着手设置一个约束。尽管,“多大的纹波就太大了?”这个问题几乎没有固定答案,就像“绳子多长?”这个问题的答案相同;所以,规范的办法是只设定一个恣意的温度改动,并以此为参阅点,以反向核算对给定的电容来说,需求多大波纹才干引起这种改动。

一般,依据电容技能,主张:挑选+10℃或+20℃作为最高温度增量容限。运用以下参阅条件核算发生上述条件所需的纹波:

1)25℃的环境温度;

2)纹波是接连正弦波,且其频率对应于该电容的ESR测验频率;

3)“自在空间”(即,没有散热器或强制冷却,并能自在在至少五个方位[另一个方位或许焊接到测验板]进行热辐射)内的电容;

4)并且,在极性电容器状况下,要施加直流偏压以保证相关的纹波电压不会在电容上发生任何反向电压。

然后,添加纹波电流并监测器材温度,直到它在环境温度以上其主张的温度容限点T处到达平衡。

测得的Irms一般被引用为纹波电流的约束,但在最大电压标定或最大ESR约束意义上,它并非实际上的约束;其实,它是一个可用于作为运用评价根底的最佳实践条件。

这种丈量还答应对电容的功耗和热阻进行核算。功耗 “P”,由下式给出:

其间:“R”是电容在纹波频率的ESR,而热阻抗是每单位时刻和温度发生的热量,单位为℃/W。

由上所述,咱们能够看出,关于给定的电容,功耗是频率的函数(因为受ESR的影响)。热阻抗(在此例,是凭借经历测得)也能够依据电容的质量和其构成资料的热容量核算出来。可是,电容的环境条件(即体系的热办理)对电容在运用中的发热也有着相同影响。

对体积和构成资料相同的电容来说,其热阻抗是相同的。因而,假如已知ESR,则可核算相同产品系列各款标称参数电容每单位时刻的功耗,还可经过热阻乘以功耗来核算预期温升。

再回到纹波电流丈量,此数值将能当即指示,所选标称值是否可被用于给定运用。为能微调该数值以符合实际纹波条件,制造商给出了典型ESR相关于频率和ESR相关于温度的数据,以使ESR能够匹配运用条件。此信息一般在数据表中的标称值项中给出,还可经过支撑用户改动频率和温度的软件得到。假如波纹对错正弦、非接连,或间歇性的(如,脉冲放电),则规划者将需求选用恰当的改换办法来核算rms等效值或运用峰值作为最坏状况。

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