一 导言
电解电容器是开关电源中一次和二次回路滤波电路中最重要的器材之一。一般，电解电容器的等效电路能够认为是抱负电容器与寄生电感、等效串联电阻的串联，如图1所示。
图1 电解电容器的等效电路
众所周知，开关电源是当今信息家电设备的首要电源，为电子设备小型简便化作出不可磨灭的奉献。开关电源不断的小型化、轻量化和高功率，在电子设备中运用量越来越大，普及率越来越高。相应的就要求电解电容器小型大容量化，耐纹波电流，高频低阻抗化，高温度长寿数化和更习惯高密度组装。
1 大容量、小体积
因为电解电容器大都选用卷绕结构，很简单扩展体积，因此单位体积电容量非常大，比其它电容大几倍到几十倍。可是大电容量的获取是以体积的扩展为价值的，现代开关电源要求越来越高的功率，越来越小的体积，因此，有必要寻求新的处理办法，来取得大电容量、小体积的电容器。
在开关电源的原边一旦选用有源滤波器电路，则铝电解电容器的运用环境变得比曾经更为严格：
(1)高频脉冲电流首要是20 kHz~100kHz的脉动电流，并且大幅度添加;
(2)改换器的主开关管发热，导致铝电解电容器的周围温度升高;
(3)改换器多选用升压电路，因此要求耐高压的铝电解电容器。这样一来，运用以往技能制作的铝电解电容器，因为要吸收比以往更大的脉动电流，不得不挑选大尺度的电容器。成果，使电源的体积巨大，难以用于小型化的电子设备。为了处理这些难题，有必要研讨与开发一种新式的电解电容器，体积小、耐高压，并且答应流过许多高频脉冲电流。别的，这种电解电容器，在高温环境下作业，作业寿数还须比较长。
2 高温、长寿数化
在开关电源规划过程中，不可防止地要挑选适用的电容。就100μF以上的中、大容量产品来说，因为铝电解电容的价格便宜，所以，迄今运用的最为广泛。可是, 最近几年却产生了明显改变，防止运用铝电解电容的状况正在添加。 出现这种改变的一个原因是，铝电解电容的寿数往往会成为整个设备的薄弱环节。电源模块制作厂家的工程师表明：“关于铝电解电容这种寿数有限的元件，假如能够不必, 就尽量不要选用。”因为铝电解电容内部的电解液会蒸腾或产生化学改变，导致静电容量削减或等效串联电阻(ESR)增大, 跟着时刻的推移，电容功用肯定会劣化。
电解电容器的寿数与电容器长期作业的环境温度有直接联系，温度越高，电容器的寿数越短。一般的电解电容器在环境温度为90℃时现已损坏。可是现在有许多品种的电解电容器的作业环境温度现已很高在环境温度为90℃，经过电解电容器的沟通电流和额外脉冲电流的比为0.5时，寿数依然为10000h，可是假如温度上升到95℃时，电解电容器即现已损坏。因此，在挑选电容器的时分，应该依据详细的环境温度和其它的参数方针来选定，假如疏忽了环境温度对电容器寿数的影响，那么电源作业的可靠性、稳定性将大大下降，乃至损坏设备和仪器。就一般状况而言，电解电容器作业在环境温度为80℃时，一般能到达10000h寿数的要求。
另一方面，电解电容器的寿数还与电容器长时刻作业的沟通电流与额外脉冲电流(一般是指在85℃的环境温度下测验值，可是有一些耐高温的电解电容器是在125℃时测验的数据)的比值有关。一般说来，这个比值越大，电解电容器的寿数越短，当流过电解电容器的电流为额外电流的3.8倍时，电解电容器一般都现已损坏。所以，电解电容器有它的安全作业区，关于一般运用，当沟通电流与额外脉冲电流的比值在3.0倍以下时，关于寿数的要求现已满意。环境温度和纹波电流对电解电容器的影响如图2所示。
图2 某铝电解电容器的寿数与温度、纹波电流的联系
3 高频低阻抗化
关于中小输出功率开关电源的作业频率除少数因价格约束而仍选用20~40kHz外，大大都均在50kHz以上;DC/DC电源模块大多在300kHz以上;大功率开关电源的开关频率受主开关(一般选用IGBT)的开关速度约束而一般在20~40kHz。虽然开关频率有所不同，可是开关电源的输出整流滤波电容器的效果根本相同，首要是经过运用滤波电容器吸收开关频率及其高次谐波频率的电流重量而滤除其纹波电压重量。
在开关电源输出端用的滤波电容，与工频电路中选用的滤波电容并不相同，在工频电路中用作滤波的一般电解电容器，其上的脉动电压频率仅有100Hz，充放电时刻是毫秒数量级，为取得较小的脉动系数，需求的电容量高达数十万微法，因此一般低频用一般铝电解电容器制作方针是以进步电容量为主，电容器的电容量、损耗角正切值以及漏电流是辨别其好坏的首要参数。在开关稳压电源中作为输出滤波用的电解电容器，因为大大都的开关电源作业在方波或矩形波的状况，含有及其丰厚的高次谐波电压与电流，其上锯齿波电压的频率高达数十千赫，乃至数十兆赫，它的要求和低频运用时不同，电容量并不是首要方针，衡量它好坏的则是它的阻抗频率特性，如图3所示。
图3 某47μF/350V铝电解电容器的阻抗频率特性
由图可知，跟着频率的升高，容抗下降、感抗上升，容抗等于感抗并彼此抵消时的频率为铝电解电容器的谐振频率，这时的阻抗最低，仅剩余ESR。假如ESR为零，则这时的阻抗也为零;频率持续上升，感抗开端大于容抗，当感抗接近于ESR时，阻抗频率特性开端上升，呈理性，从这个频率开端以上的频率下电容器时刻上便是一个电感。因为制作工艺的原因，电容量越大，寄生电感也越大，谐振频率也越低，电容器呈理性的频率也越低。这就要求它在开关稳压电源的作业频段内要有低的等效阻抗，一起，关于电源内部，因为半导体器材开端作业所产生高达数百千赫的尖峰噪声，亦能有杰出的滤波效果，一般低频用一般电解电容器在10kHz左右，其阻抗便开端出现理性，无法满意开关电源运用要求。
用于开关稳压电源输出整流的电解电容器，要求其阻抗频率特性在300kHz乃至500kHz时仍不出现上升趋势。电解电容器ESR较低，能有效地滤除开关稳压电源中的高频纹波和尖峰电压。而一般电解电容器在100kHz后就开端出现上升趋势，用于开关电源输出整流滤波效果相对较差。笔者在试验中发现，一般CDII型中4700μF,16V电解电容器，用于开关电源输出滤波的纹波与尖峰并不比CD03HF型4700μF,16V高频电解电容器的低，一起一般电解电容器温升相对较高。当负载为骤变状况时，用一般电解电容器的瞬态呼应远不如高频电解电容器。
开关电源为了高功率而进步了作业频率的高频化，特别是小型高输出开关电源中输入滤波用电容器要求高纹波性，输出端低阻抗化。要使输出滤波用电容器在高频下低阻抗化，有必要下降等效串联电阻。
4 耐纹波电流
影响电解电容器功用的最首要的参数之一便是纹波电流问题。纹波电流对铝电解电容器的影响首要是在ESR上产生功耗使铝电解电容器发热，从而缩短运用寿数。 从特性曲线中(图2)能够看到，纹波电流在ESR上产生的损耗与纹波电流有效值的平方成正比，因此跟着纹波电流的添加，小时寿数曲线类似于抛物线函数曲线。下降纹波电流的办法能够选用较大容量的铝电解电容器，究竟大容量铝电解电容器可接受的纹波电流比小容量的铝电解电容器大;也能够选用多只小容量铝电解电容器的并联方法，还能够选用纹波电流低的电路拓扑结构。一般来说，反激式改换器产生的开关改换电流相对最大。表1是各种开关改换器电路拓扑的直流电流、整流滤波的纹波电流、开关改换电流和滤波电容上的总纹波电流。
表1 各种开关改换器电路拓扑的整流滤波的纹波电流和开关改换电流
就平板电视来说，为了能接受大电流，就需求进一步下降电容的ESR。其原因是，在数字设备中，跟着功用的添加，电路的电流有越来越大的趋势。 关于在液晶电视中进行MPEG编解码作业的图画处理电路来说，2006年一块芯片中电源电路的电流约为3A。据有关人士猜测称，为了应对全H D (全高清等要求而增大电路的规划往后，芯片中的电流将添加到5A 左右，并且在2008 年前后将会到达8A~9A。
假如ESR小，则在有大电流活动时，电容输出电压的下降量也小。伴跟着电流增大而来的下降ESR的要求，有或许成为推动电容替换进程的首要原因。相关于铝电解电容将近1Ω的ESR来说，多层陶瓷电容的ESR很小，还不到10mΩ。导电性高分子电容的ESR一般为几十mΩ，ESR比较小的则在10mΩ以下。铝电解电容也在开发ESR比较小的品, 其ESR大约是一般产品的1/2~1/3。
5 高可靠性
开关电源是一种选用开关式操控的直流稳压电源，它以小型、轻量和高功率的特色被广泛运用于各种通讯设备、家用电器、计算机及其终端设备。作为输入滤波和滑润效果的铝电解电容器，它的质量和可靠性直接影响到开关电源的可靠性。一旦铝电解电容器失效，就会导致开关稳压电源的毛病。
开关稳压电源用铝电解电容器的失效形式有击穿失效、开路失效、漏液失效及电参数超差失效。其间击穿失效又分为介质击穿和热击穿，关于大功率和大电流输出的开关电源用电解电容器，热击穿失效常占必定份额;电腐蚀导致铝引出条开裂和电容器芯子干枯，使开关稳压电源用铝电解电容器开路失效的首要失效形式;漏液是开关稳压电源用铝电解电容器常见的失效形式，因为运用环境及作业状况较严格，常产生漏液失效;开关稳压电源用铝电解电容器在运用中最常见的失效形式是电容量削减、漏电流增大及损耗角正切值增大。
6 结束语
在电子线路中电解电容器是必不可少的，并且，跟着电子设备的小型化，越来越要求电解电容器具有更好的频率特性、更低ESR、更低阻抗、 更低ESL，更高耐压功用、无铅化，这也是电解电容器往后的开展方向。 小型化、大容量化的电容器能够经过运用铌、钛等新式介电材料及结构方面的改进来到达。而低ESR、低ESL化能够经过新式电解质的开发优化工艺及结构来完成，一起产品将向更高的电压方向开展。 在开展一日千里的信息技能领域，电容器将始终是要害元件之一，咱们将运用新技能、新材料不断地开宣布适应信息时代需求的高功用电容器。
