鋁電解電容范文

導語：如何才能寫好一篇鋁電解電容，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關鍵詞：電子技術；腐蝕工藝；電解電容器；鋁箔

電子工業的繁榮，帶動了電子信息產業的發展，人們對中高檔的電解電容器腐蝕化成箔的需求量越來越大，這也導致電解電容器腐蝕化成箔市場的供不應求，為了滿足電子信息產業的發展，商家迫切的要求電解電容器的比容不斷提高，本文將立足于鋁電解電容器的結構以及特點，深入研究點解電容器用鋁箔擴面腐蝕工藝。

一、鋁電解電容器的結構及其特點

（一）鋁電解電容器的優點

鋁電解電容器與其他類型的電容器相比，擁有單位體積容量大、額定容量大、工作電廠強度高、具有自愈作用、介質層厚度可控制的優點，因此被廣泛的應用于電子產業基礎元件的制造當中，并獲得了業內的認可。首先，鋁電解電容器的單位體積電容量大，與其他類型的電容器相比，單位體積容量可能是其十幾倍到幾十倍，并且鋁電解電容器的電解質厚度也是其他電容器的幾十到幾百倍。其次，鋁電解電容器的額定容量大，由于鋁電解電容器氧化膜厚度較大，因此很容易擴大面積，可以按照產品制造的要求，增加電解電容器的額定電容量。[1]最后，電解電容器還具有自愈作用，電容器電解質如果發生破壞，電解液中的酸根離子能夠在短時間內將破壞位置堵住，從而使電解電容器恢復正常的狀態，這在一定程度上增加了電解電容器的應用范圍。也正是這些優點，使電解電容器在與其他電容器競爭之中脫穎而出，在汽車電子、變頻技術領域得到廣泛的應用，市場占有份額也在逐年上升。

（二）電解電容器的結構

現代電子設備的更新換代速度非常快，每一次的變革，都對電解電容器的性能提出了更高的要求，為了滿足電子產業發展的需要，電解電容器必須在保證腐蝕濾波彎折強度的前提下，使電解電容器的比容不斷提高，這要求電解電容器必須朝著高比容量、小體積的方向改進。首先，研究人員應該對鋁電解電容器的結構有一個明確的了解，電解電容器的結構由兩個部分組成，第一部分是鋁殼和密封膠蓋，這是電解電容器的外部構件，通常是由陽極鋁箔與陰極鋁箔纏繞而成，陽極鋁箔的表面有一層氧化鋁薄膜，起到了耐電壓的作用，因此可以f，電解電容器的外部結構決定了電解電容器的壽命與電容量。[2]

（三）鋁電解電容器鋁箔腐蝕擴面

電解電容器的鋁箔主要通過腐蝕過程來擴大有效表面積的，從而增加電解電容器的電容體積。電解電容器的比容受到鋁基材料成分、鋁基材料狀態以及腐蝕工藝的影響，因此為了增加電解電容器的有效表面積，相關工作人員需要深入研究電解電容器鋁箔擴面與腐蝕工藝的關系，明確腐蝕工藝的對電解電容器鋁箔擴面的影響。

二、電解電容器用鋁箔腐蝕工藝研究

相關工作人員主要采用了正交實驗，研究腐蝕介質的比例、腐蝕電壓大小、腐蝕溫度對腐蝕箔性能的影響。

（一）腐蝕介質的比例對腐蝕箔性能的影響

研究表明，腐蝕介質中ClC濃度越高，腐蝕箔的比容越高，但到達一個臨界值后，腐蝕箔的比容不僅不會增加，還會造成彎折強度的降低。在鋁電解電容器遭到小孔腐蝕時，介質中的硫酸組分比例會增加，同時孔蝕電位下降，該實驗，主要利用了鈍化吸附的原理，因此ClC濃度的增加，能夠提高增加小孔腐蝕的成核率，并繼續向縱深發展。[3]在該實驗中，氧化性酸起到了關鍵性的作用，因為氧化性酸可以有效的增加鈍化膜的吸附力，因此在實驗當中，要適當的增加硫酸組的比例，從而計算出腐蝕箔的最大比容。而腐蝕箔的彎折度度，則由腐蝕箔夾心層的厚度，厚度越大，腐蝕箔的腐蝕孔越均勻度越高，腐蝕箔的彎折度越高。反之亦然，腐蝕箔的彎折度與腐蝕箔的比容呈反比的關系，因此腐蝕孔均勻度越低，腐蝕箔的比容越高，但同時，這樣的腐蝕箔易于這段，同樣也不適用于電子元件的制造，因此相關研究人員需要平衡好腐蝕箔比容與腐蝕箔彎折度之間的關系。

（二）腐蝕電壓大小對電極箔性能的影響

陽極氧化電壓對腐蝕箔比容與彎折性能都會產生不同程度的影響，因此相關研究人員需要，根據電化學腐蝕原理，通過實驗，找出電極箔的最佳值。實驗表明，隨著小孔腐蝕敏感性加劇，電極電位也會相應升高，因此可以說，電機點位的升高與小孔成核有著密切的關系，相關工作人員需要通過實驗，找出局部電極電位的臨界值，從而提高小孔成核的速度。[4]但需要注意，腐蝕箔的彎折度與腐蝕電壓的大小并非線性關系，并非腐蝕電壓越大，電極箔的彎折度越低，而是需要將孔壁腐蝕坍塌的變量加入其中在進行觀察。可以在這個實驗中觀察到，腐蝕電壓的大小對腐蝕箔的電容產生了一定的影響，腐蝕電壓越大，腐蝕箔的電容越大，到達一個臨界值之后，腐蝕電壓繼續增大，腐蝕箔的電容的增大速度逐漸降低。

（三）腐蝕溫度和腐蝕時間對腐蝕箔性能的影響

研究人員通過提高腐蝕溫度，延長腐蝕時間的方法，觀察腐蝕箔性能的變化，研究表明，不管溫度的提高，還是時間的延長，都會對腐蝕箔的性能產生一定的影響，腐蝕溫度升高，會加速腐蝕孔內陽離子的溶解，從而使外陰離子向孔內遷移，一定程度上降低了溶液的活性。同時，腐蝕孔的繼續加深，是孔內金屬氯化物更加濃縮，因此腐蝕溫度能夠增加電解電容器內水解質酸度。而隨著腐蝕時間的延長，腐蝕箔的折彎強度會直線下降，直到腐蝕孔堵塞，這個反應才會中止，因此相關工作人員需要根據腐蝕箔性能的要求，合理的選擇腐蝕溫度和腐蝕時間，從而提高腐蝕孔的均勻度。[5]

結語：

綜上所述，腐蝕溫度、腐蝕時間、腐蝕介質的比例以及腐蝕電壓的大小都會對腐蝕箔的性能產生不同程度的影響，因此相關工作人員需要按照要求，選擇科學的腐蝕工藝參數。

參考文獻：

[1]鄭紅梅，吳玉程，黃新民，胡學飛，劉勉誠，楊蓓蓓.鋁電解電容器用電子鋁箔的性能分析與比較[J].功能材料與器件學報，2012，01：10-16.

[2]陳永真.用薄膜電容器替代鋁電解電容器的分析與實踐[A].浙江省電源學會.浙江省電源學會第十一屆學術年會暨省科協重點科技活動“高效節能電力電子新技術”研討會論文集[C].浙江省電源學會：，2013：4.

[3]于欣偉，趙國鵬，李魁，高泉涌，馮耀邦，陳姚，鄭文芝.電解電容器使用支鏈多元羧酸銨鹽電解液的研究[J].廣州大學學報（自然科學版），2013，02：6-9.

篇2

電容器一般有陶瓷電容器、有機薄膜電容器和電解電容器三大類。陶瓷電容器、有機薄膜電容器都是用電介質材料直接命名，而電解電容器則是用一種工藝的名稱來命名。正因為此，電解電容器具有與陶瓷電容器、有機薄膜電容器完全不同的特性。電解電容器根據所應用的閥金屬材料的不同而分為鋁電解電容器和鉭電解電容器。

1 電解電容器的基本構造特征

電解電容器的內部結構與陶瓷電容器、有機薄膜電容器相比有明顯的不同，大致有三個特征：

（1）電解電容器的電介質是在（如鋁、鉭、鈮之類）閥金屬表面上通過電解過程所生成的一層極薄的金屬氧化膜（可以小到納米級），此層氧化膜介質完全與組成電容器的一端電極結合成一個整體，它不能單獨存在。而陶瓷電容器、有機薄膜電容器的電介質則是由一種獨立制造的絕緣材料（如有機薄膜、陶瓷片等）所構成。

（2）電解電容器中生成氧化膜電介質的閥金屬是電容器的一個電極稱為陽極，也即在極性電解電容器中是接入電路中應用時的正極。電解電容器的另一極并非金屬，而是所謂“電解質”（注意電解質不是電介質），它可以為液體，也可為糊狀、凝膠或者是固體，這是使電解電容器能夠承受極高的工作電場強度以及保持電容器可靠工作的必要條件，這一極稱為電容器的陰極。

（3）為了使陰極能與外界電路相連接，又以另一金屬與電解質相接觸，這是電解電容器接入電路時的負極，它僅起引出陰極的作用。

為了防止電解電容器的陽極和陰極短路，有時需要在兩者之間添加電解電容器紙，又稱電解電容器隔膜紙。鋁電解電容器和鉭電解電容器的結構示意圖如圖1所示。

2 電解電容器的性能特點

電解電容器結構上的特殊性決定了它在性能上有許多獨特之處，現簡述如下：

（1）單位體積內所具有的電容量特別大，即比容量非常高。電容器的電容量C=ε0·εr·S/d，ε0是真空電容率，εr是電介質的相對介電常數，S是電極的有效面積，d是電介質的厚度。對于電解電容器，d=α·Vf，α是電介質的形成常數，Vf是電介質的形成電壓。由于α一般為nm/V級別，因此，電解電容器的電介質厚度一般比陶瓷電容器、有機薄膜電容器小一個數量級以上。另外，鋁電解電容器的陽極箔通過電化學腐蝕后其表面積提高數十甚至百倍，鉭電解電容器通過金屬粉末燒結獲得的陽極體同樣具有極高的比表面積。因此，電解電容器的比電容量比其它電容器高一個多數量級。

（2）在電解電容器的工作過程中，它的陰極即電解質具有自動修補或隔絕氧化膜中的疵點的性能使氧化膜介質隨時得到加固和恢復其應有的絕緣能力，而不致遭到連續的累積性破壞，這種性能稱為自愈特性。

（3）工作電場強度非常高。由于電介質的形成系數α一般為nm/V級別，它的倒數就是電介質的工作場強，約達幾百kV/mm；這約是陶瓷、有機薄膜工作場強的幾十倍。

（4）可以獲得很大的額定電容量。鋁電解電容器通過鋁箔卷繞方式可以方便實現的體積，因此，可以獲得非常大的額定電容量。比如，在較低的工作電壓范圍內，可以方便地獲得法拉級數值的電容量，即使高壓電解電容器也可以很容易獲得數千微法的電容量，這是其它電容器無法實現的。

（5）具有單向導電性，即所謂有“極性”。應用時應按電源的正、負方向接入電路。電解電容器的陽極（正極）接電源的“+”極，陰極（負極）接電源的“—”極；如果接錯不僅電解電容器發揮不了作用，而且漏電流很大，短時間內芯子就會發熱，破壞氧化膜，隨即失效損壞。如果需要短期應用在完全是交流電源或交流成分較強的直流電路中。可以采用一種稱為“雙極性”的電解電容器就是將陰極引出箔換成與具有氧化膜的陽極相同的電極，這樣實際上是兩個電解電容器背對背串聯的結構，不僅容量減少一半，而且總體也隨之增加。“雙極”電解電容器僅是改變了電容器的結構，并沒有改變氧化膜的單向導電本質，這也是電解電容器的不足。

（6）工作電壓有一定的上限。由于電解電容器的電介質是通過電解過程形成的，其形成電壓不能無限升高，而電解電容器的工作電壓必須小于電介質的形成電壓，因此，電解電容器的工作電壓有一定限制。例如單個鋁電解電容器的工作電壓一般最高值為700 V，而固體鉭電解電容器的上限值為150 V。

（7）絕緣性能較差。由于電解電容器電極的比表面積比其它電容器高數十倍，且其工作場強同樣高數十倍，因此，電解電容器的相對絕緣性能比其它電容器差。但并不妨礙電解電容器的大量使用。

（8）損耗角正切值較大，而且溫度、頻率特性亦差。主要是由于電解電容器的一個電極是電解質，其電導率較低，導致其等效串聯電阻較大；另外由于電解電容器電容量較大，因此其損耗角正切值較大。如果采用液體電解質作陰極，由于液體材料受溫度變化影響大，電解電容器的溫度特性較差。同時液體電解質中離子遷移率較低，電容量大，因此頻率特性也較差。

（9）鋁電解電容器易老化，性能的可靠性將逐年下降。這也是與所使用的液體電解質等原材料有密切的關系。如果采用固體電解質，老化性能會得到明顯改變。

（10）鋁電解電容器最大的特點是容量大、價格便宜。

3 電解電容器的技術進展

篇3

【關鍵詞】液晶電視；電解電容；燃燒；工頻電容；開關電源

1.序言

2.鋁電解電容器的結構

3.燃燒三要素

對于火源中的第一點：氧化膜絕緣損壞而在工作中產生的火花。學過電子的人都知道“尖端放電”或者“尖端效應”，一旦絕緣皮膜某個地方損壞，該處就容易形成絕緣尖端，也就是該處絕緣最弱，導致不用很高的電壓就容易擊穿絕緣層而出現打火產生火花，理論上在一個標準大氣壓下空氣的放電電壓是1KV/mm（該距離或者電壓和當時的濕度、溫度等有關），也就是當兩點間電壓為1KV時，如果其距離小于1mm就會出現放電而產生火花。這里講的損壞包括濾波剪切不平整以及留有鋁屑等。

根據空氣放電距離的原理，雖然理論上只要兩端間存在電壓差且距離一定近時就會出現放電而產生火花，但低壓部分要達到這個條件還是非常困難的。在開關電源回路上，電解電容器使用的地方主要時整流濾波回路，主要有初級工頻濾波電容器、次級整理濾波電容器以及相關IC工作VCC供電的濾波電容器等。其中只有工頻濾波電容器屬于高壓工作，且其工作時存在的能量也最大，導致燃燒的可能性也最大。故下面就理論上和實際是否可能導致放電等引起火災進行研究。

4.理論上存在的最高電壓

5.試驗模擬電路

根據以上的理論分析，在電網等出現異常情況時工頻電容器上承受的電壓會高達620V，那這么高的電壓能導致工頻電容器出現異常并產生明火嗎？下面將進行相關試驗來驗證。

6.燃燒試驗情況

試驗的結果證明了在某些異常高壓出現時，電解電容器存在火源，從而會出現異常而產生明火的情況，由于明火的溫度高導致塑膠后殼容易發生燃燒。

7.防止電解電容器燃燒導致火災的對策

另一個是盡量防止異常高壓施加到工頻電容器上。比如在回路上追加一些偵測回路，一旦出現異常高壓時，把后級回路關閉，使得工頻電容因為提供極少的能力，其內部溫度低，就算出現失效也不會產生明火，從而有效防止出現燃燒的情況，也可以利用繼電器把AC輸入關斷。偵測回路的原理圖如圖九所示，通過對工頻電容器上的電壓進行異常高壓偵測，當出現異常高壓時通過繼電器把輸入電源關斷，實際試驗結果如圖9所示，當疊加到工頻的電容達到570V左右（該電壓的高低可以根據需要進行調整設置）時，繼電器就會動作，從而關斷AC輸入，試驗結果工頻電容只會出現失效而沒有明火產生，也是有效果的。該對策除了需要增加一些成本外，需要注意防止偵測回路誤動作問題。

再一個就是提升電解電容的特性。根據以上的理論分析，電路出現異常時施加到工頻電容器上的電壓達到620V左右時相同容易出現的情況，那如果電解電容本身在承受620V左右的電壓時不會出現短路打火的情況，理論上也是能有效改善這個問題。有兩個方向，一是通過改變電解電容器的結構，使其能承受更高的靜電能力，如提高正箔的化成電壓、增加化成反應時間，提高鋁氧化物的厚度、增加電解液的系數等；另一個是開發采用所謂阻燃電解電容器。阻燃電解電容器和一般品在結構上沒有什么區別，主要區別在于其采用的電解液、電解紙、膠蓋等都可以達到94-V0的防火等級，在防爆閥打開時不會出現明火的情況。該對策無法由液晶電視機制造廠商單獨來實現，需要和電解電容器制造廠家配合，且由于市場需求少、技術要求高、專利限制等因素，這個具有阻燃特性的電解電容器制造廠商少且價格高。

另外由于電解電容器的工藝是電解紙和鉚接在導針上的鋁箔纏繞在導針上，并用鋁殼組裝起來，一旦鋁殼受外力變形就會損傷到內部素子，而引腳的成型等有可能導致鋁箔于導針鉚接的地方出現破損等情況，從而導致工頻電容器出現不良導致明火發生，故在使用電容器時出現注意成型以及打膠固定。

參考文獻

篇4

關鍵詞：電源設計；電容選用；濾波電容器

在進行電路設計的過程中，電源設計是十分重要的環節之_。成功、完整的電路設計中電源占據著十分重要的位置，其很大程度上影響了電路系統的使用性能與運行成本。通信電源設計中的電容就是容納與釋放電荷的電子元器件。

1 電源設計中電容的應用

1.1 旁路

旁路電容即給本地器件提供能量的元件，類似于微型可充電電池，其可以充電使用，并且針對器件進行放電。為了盡可能地降低阻抗，旁路電容要盡可能接近負載器件的供電電壓管腳與地管腳，以避免由于輸入值過大產生噪音或者地電位上升。

1.2 去耦

去耦，即為解耦。一般來說，可以將電路分為驅動的源及被驅動的負載。假如開關電源負載電容相對較大，驅動電路則會充電、放電，進而完成信號的變更，在這一過程中會出現一種噪聲，對前級的正常工作產生影響。該噪聲即為耦合。去耦電容就是實現電池的作用，以滿足驅動電路電流的改變，避免相互間出現干擾或影響。去耦合電容通常較大，一般為10uF或以上，具體根據電路中分布參與及驅動電流的大小來決定。旁路與去耦的區別就在于旁路是將輸入信號中的干擾當作過濾對象，而去耦則是將輸出信號的干擾當作過濾對象。

1.3 濾波

電容的作用就是通高阻低，讓高頻通過，阻止低頻通過。電容越大，低頻通過越容易；電容越小，高頻通過越容易。在濾波中大電容過濾低頻，小電容過濾高頻。當頻率越高，峰值電流就越大，進而緩沖了電壓。因此，濾波即為充電、放電的過程。在通信電源中，為了避免電路各個部分供電電壓由于負載變化而改變，在通信電源的輸出端與負載的電源輸入端通常都有相應的電解電容。而大容量的電解電容通常都有一定的電感，因此無法有效地過濾高頻與脈沖干擾信號，因此在其兩端并聯容量為0.1pF左右的電容，以過濾高頻與脈沖的影響。

1.4 儲能

儲能型電容器通過整流器來收集電荷，并且將存儲的能力利用變換器引線傳遞到電源的輸出端。根據不同的通信電源要求，元件一般會使用串聯、并聯或者其他組合的方式。對于功率超過10kW的開關電源通常都是使用體積比較大的罐形螺旋端子電容器。

2 電源設計中的電容器選擇

2.1 濾波電容器

交流電通過整流后需要使用電容器濾波，使得輸出的電壓變得平滑，因此電容器的容量要相對較大，通常大多使用鋁電解電容器。使用DC/DC開關輸入濾波電容器，由于開關變換器是通過脈沖弄的形式來獲取電能的，因此濾波電容器中流通較大的高頻電流，當電解電容器等效串聯較大的時候，將會出現大量損耗，從而導致電解電容器發熱。在開關穩壓電源中的電解電容器起到輸出濾波的作用，其上鋸齒波電壓的頻率達到數十千赫，阻抗頻率的特性成為其衡量標準。另外，對于半導體器件在運作中發出的噪聲需要過濾，因此通常低頻使用普通電解電容器在10kHz左右便無法滿足開關電源的使用需求。

2.2 吸收與換相電容器

伴隨著半導體器件額定功率的增加、開關速度的提升、額定電壓的上升，緩沖電路的電容器的耐壓、容量與高頻特性依然難以滿足需求。無感電容、金屬化電容以及金屬箔電容在電路使用中的作用與效果都不同。電容器的大小將會影響電容器的dv/dt以及峰值電流的耐量。通常來說，長度與dv/dt與峰值電流之間呈現負相關。吸收電路中電容器的特征是高峰值電流的占空較小，有效值電流有限。

2.3 諧振電容器

諧振式開關穩壓電源與晶閘管中頻電源諧振回路中的諧振電容器在工作時通常都會出現很大的電流。如果諧振電容器選擇失誤，會導致設備損壞。在包含了電容與電感的電路當中，如果電容與電感是處于并聯狀態的，那么在某一段時間內電容的電壓逐漸上升，而電流卻持續變小，同時，電感的電流處于持續上升的狀態，電感的電壓卻慢慢下降。而在另外一個時間段，電容的電壓逐漸變低，而電流卻逐漸增加。同時，電感的電流卻逐漸減小，電感的電壓逐漸升高。電壓可以上升到最大值，電壓的降低也可以獲得負的最大值。這種現象被稱為電路振蕩，電路振蕩維持的階段即為諧振。

篇5

關鍵詞：并聯電容；功率因數；圖解；計算

中圖分類號：G714 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）16-0181-02

在正弦交流電路中，電路的有功功率與無功功率的比值叫做功率因數，用公式表示為：λ=Cosφ=■。其中φ是電路中總電流與總電壓的相位差，稱為功率因數角。

一、功率因數的意義

1.由功率因數的定義：Cos=■，可知：P=SCosφ。顯然，在供電設備容量（即電源視在功率S）一定的情況下，電路的功率因數Cosφ越高，有功功率P就越大。表示電源發出的電能轉換為熱能或機械能越多，而與電感或電容之間相互交換就越少；電路的功率因數Cosφ越低，有功功率P就越小。表示電源發出的電能轉換為熱能或機械能越少，而與電感或電容之間相互交換就越多。由于交換的這一部分能量沒有被利用，因此，功率因數越大，說明電源的利用率越高。

2.增加供電設備的容量，建立更大的發電廠。由P=SCosφ可知：在負載功率一定的情況下，若功率因數過低，為滿足負載需求，解決辦法只有增加供電設備的容量，建立更大的發電廠。而建設大容量的發電廠，不僅需要更高的技術支撐，而且還需要足夠的能源、資源保障，例如建設大型水電站，需要足夠的水源和適度的高度落差。

3.將電源設備的視在功率：S=UI代入P=SCosφ中，可得I=■，顯然，在同一電壓下要輸送同一功率，功率因數Cosφ越高，供電線路中的電流I就越小，供電設備和線路中的損耗就越小；功率因數Cosφ越低，供電線路中的電流I就越大，供電設備和線路中的損耗就越大。而這部分損耗將以熱量的形式散發到空氣中，得不到利用。

因此，在電力工程上，力求使電路中的功率因數接近于1。由于在日常生活和生產用電設備中，感性負載占的比例相當大，提高感性負載功率因數的常用辦法，是在感性負載兩端并聯一個適當的電容器，利用電容器的無功功率和電感所需的無功功率相互補償，達到提高功率因數的目的。為什么并聯電容后能提高電路的功率因數呢？

如圖（a）所示，感性負載可看作理想電阻R和理想電感L組成的RL串聯電路。

在沒有并聯電容時，電源供給負載的電流IRL，IRL落后電壓U一個φRL角，如圖（b）所示，電路的功率因數CosφRL；并聯電容后，通過負載的電流仍為IRL，可是電源供給電路的電流不再是IRL，而是IRL和電容支路電流IC的矢量和I，從圖（b）所示的矢量圖可以看出，并聯電容后電源供給電路的總電流變小了，電路中總電流與總電壓之間的相位角由φRL減為φ，因而功率因數提高了，即：λ=Cosφ>λRL=CosφRL。

值得注意的是：①并聯電容提高功率因數后，負載的工作仍保持原狀，自身的功率因數CosφRL并沒有提高，只是整個電路的功率因數得到了提高；②并聯電容后，電路的總電流由IRL減為I，是由于功率因數的提高減小了電路的電流，通過負載的電流仍為IRL；③并聯電容后，雖然提高了功率因數，但并沒有提高負載的有功功率，之所以提高電源的利用率，是由于減小了電路的無功功率；④功率因數的提高，并不要求達到Cos=φ1，因為此時的并聯諧振會帶來不利情況，也沒有必要提高到使電路呈容性。

二、提高功率因數需要并聯多大的電容，如何進行分析和計算

并聯電容提高功率因數的有關計算主要有兩種題型：一是已知電路參數和功率因數目標，求需要并聯的電容大小；二是已知電路參數和并聯電容大小，求并聯電容后的功率因數。在分析和計算時，可用以下兩種形象直觀的方法進行。

方法一：電流三角形法。

如圖（b）所示，由幾何關系可知：

IC=IRLSinφRL-ISinφ

=IRLConφRLtanφRL-ICosφtanφ

=IRLConφRL（tanφRL-tanφ）

又P=UIRLCosφRL，IC=U/XC=ωCU

ωCU=■（tanφRL-tanφ）即：C=■（tanφRL-tanφ）（1）

方法二：功率三角形法。

并聯電容提高功率因數，并沒有提高負載的有功功率，之所以能提高電源的利用率，是由于減小了電路的無功功率。如圖（c）所示。由功率三角形可知：

QC=QRL-Q

QC=UIC？搖 IC=QC/U=（QRL-Q）/U

又IC=U/XC=ωCU

QRL=PtanφRL Q=Ptanφ

ωCU=P（tanφRL-tanφ）/U

即：C=■（tanφRL-tanφ）（1）

從上述分析可知，只要知道負載的有功功率P，額定電壓U，電源的角頻率，并聯電容前的功率因數或功率因數角和并聯后的功率因數或功率因數角，就可用（1）式求出并聯電容的大小；同樣只要知道負載的有功功率P，額定電壓U，電源的角頻率，并聯電容前的功率因數或功率因數角，也可用（1）式求出并聯確定電容后的功率因數的大小。

參考文獻：

[1]程周.電工與電子技術[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2]程周.電工與電子技術練習冊[M].北京：高等教育出版社，2009.

篇6

關鍵詞：電源噪聲 地線噪聲 反射噪聲 串擾噪聲 電磁兼容

引言：

由于數字化產品的不斷問世，電磁兼容的設計也引起人們的重視。由于數字電路高速工作時，會產生大量的高頻干擾信號，如果處理不好，會影響周圍環境。以數碼照相機為例，其中有高速數字信號處理電路，它存在大量的干擾信號，如果處理不當，將影響視頻的質量和讀盤能力，嚴重時通過電源或空間高頻干擾脈沖發射出來，影響其他電子設備的正常工作。數字AV產品的核心是DSP系統，能高速處理對音視頻的數字信號。與此同時，由于數字信號處理的信號碼率很高，數字處理系統又與高速存儲器配合使用進行數據的讀寫。隨著碼率的不斷提高，數字信號處理速度也越來越快，產生大量干擾脈沖，與速度成正比且頻率和幅度越來越高，結果對產品的電磁兼容設計帶來更大的難度。

一、干擾因素

對一個數字信號的處理系統來說，常見噪聲有以下幾種：

1、電源噪聲。在數字系統中，由于受DSP電路、CPU、動態存儲器件和其他數字邏輯電路在工作過程中，邏輯狀態高速變換造成系統電流和電壓變化，從而產生干擾噪聲、直流噪聲以及供電電源等噪聲。

2、地線噪聲。在系統內，在各部分的地線之間出現電位差或者存在接地阻抗而引起接地噪聲。

3、反射噪聲。傳輸的信號在終端（或分界）部位發生反射，使信號波形發生畸變或產生震蕩，主要由于傳輸線路各部分的特性阻抗不同或與負載阻抗不匹配。

4、串擾噪聲。產生原因是由于印制電路板內平行印制導線之間、扁平電纜或束捆導線等傳輸線之間的電磁感應，以及高速開關電流通過分布電容等寄生參數把無用信號疊加在目的信號上引起的。

二、電源和地線噪聲的抑制措施

CMOS數字器件和數字模擬混合器件，大量地應用在數字產品中，當這些器件同時工作時，會使電路板內的電源電壓和地電平發生波動，這樣信號波形產生過沖尖峰或震蕩衰減，會造成數字電路噪聲容限下降，而引起誤動作。其原因是數字IC的電源線和開關電流、地線電阻所造成的電壓降與元器件引腳和印制板線條的分布電感L所造成的感應電壓降一起作用于AV電路。由于數字有多條高頻數字信號線存在AV產品中，因此，地線和電源的干擾相當嚴重。其次，由于一部分CMOS電路是數字模擬混合器件，由于噪聲作用造成數模混合電路的動態范圍下降，會影響整機的性能。為了抑制電源和地線噪聲.，在數字AV產品設計中可以采取以下措施：

1、選用貼片元件和噪聲容限大的數字IC，盡可能縮短元件的引腳長度，以減小元件分布電感的影響。

2、在電源連接端盡可能靠近器件接人濾波電容，以縮短開關電流的流通途徑，可用獨石電容和鋁電解并聯接在電源腳上。對于MPEG解碼芯片和MPEG板主電源輸入端以及DRAM，SDRAM等高速數字Ic的電源端，可以用鉭電解電容取代鋁電解電容，因為鉭電解電容的對地阻抗比鋁電解電容小得多。

3、印制板布局時，要將數字電路區和模擬電路區合理地分開，電源和地線單獨引出，電源供給處匯集到一點；PCB布線時，高頻數字信號線要用短線，主要信號線要集中在PCB板中心，時鐘發生電路安裝在板芯附近，時鐘扇出應并聯布線，同時高頻數字信號線盡可能用地線隔開或遠離電源線。

4、印制板的電源線和地線印制條要寬，減小線電阻，從而減小公共阻抗引起的干擾噪聲。

三、反射噪音的抑制措施

在數字信號處理系統中，有很多時鐘信號和數字信號要傳輸，如果傳輸線路始端和終端阻抗不匹配，信號就會在阻抗不連續處發生反射，使傳輸的信號波形出現振蕩、上沖或下降。反射還會降低器件的噪聲容限，加大延時。如果傳輸線傳輸時間與所延遲時間接近或相等時，反射會使傳輸信號產生錯誤或使電壓超過電路的容限影響電路的正常工作。要抑制反射干擾，就要使發送端和接收端的阻抗匹配，或者縮短傳輸線的長度。可采用以下措施使傳輸線阻抗得到匹配。

1、DSP輸出端加適當電阻使之與束捆線和扁平電纜的特性阻抗基本一致，發送端的阻抗基本匹配，抵消了數字信號脈沖上升、下降的過沖。

2、把束捆線的長度縮短減少信號的波形畸變。實際結果使DSP的波形明顯改善。

3、用終端二極管取代匹配電阻，作為輸入端和輸出端的匹配和保護網絡。這種匹配方法有以下優點：改善終端波形，對發送端電平不產生影響，傳輸線布設方便，對多個負載達到最佳匹配，對輸入端具有保護作用，能有效抑制過沖。

四、串擾噪音的抑制措施

所謂串擾是指在傳輸信號的過程中，信號傳輸線在其相鄰信號線上引起嚴重的干擾噪聲，大多發生在束捆導線、扁平電纜或印制板平行導線之間。串擾的強弱與相鄰兩信號線之間的阻抗和信號本身的阻抗有關。為了減少高頻脈沖和輻射線間串擾，在數字AV產品中采取了以下技術措施：

1、盡可能縮短傳輸距離。

2、在雙面印制板布線時，盡量正面傳輸高頻數字信號和時鐘信號，背面盡可能加大接地面積，信號線之間串音干擾會隨之減小，由于平行導線問的分布電容在導線靠近接地平面時會變小；在MPEG芯片、DRAM、SDRAM及其他高速數字器件印制板布線時，其背面的大片地線可以吸收器件產生的高頻脈沖噪聲。

參考文獻：

1.《復雜電磁環境下電磁兼容性設計》 張先立 主編 甘肅科學技術出版社

2.《電力系統電磁兼容》 王洪新 主編 武漢大學出版社

3.《電磁兼容性遠離》 周開基 主編 哈爾濱工程大學出版社

4.《數字AV產品的抗干擾設計》 江國棟 《電聲技術》

5.《汽車數字AV產品的抗干擾研究》 趙巖 《電子質量》

6.《車用數字AV產品的抗干擾設計》 車建春 《電聲技術》

7.《數字電子設備抗干擾設計研究》 陳傳軍 《現代電子技術》

篇7

1、概述

隨著數字化產品的不斷問世，其電磁兼容性的設計越來越引起人們的重視。因為高速數字電路工作時，會產生大量的高頻干擾信號，處理不好，不僅影響本身性能，而且還會影響周圍環境。隨著碼率的不斷提高，數字信號處理的速度越來越快，產生與速度成正比的大量干擾脈沖，頻率也越來越高，幅度越來越大，這對產品的抗干擾設計帶來更大的難度，也是產品品質高低的關鍵 所在。若處理不當，將影響音視頻的質量和讀盤糾錯能力。嚴重時高頻干擾脈沖會通過電源或空間輻射出來，影響周圍電子設備的正常工作。現以Car-VCD機為例討論數字AV產品的抗干擾設計。

2、數字電路的常見干擾噪聲

對數字式音/視頻類產品的數字信號處理系統來說，常見的噪聲有以下幾種。

（1）電源噪聲

主要由于DSP電路、CPU、動態存儲器件和其他數字邏輯電路在工作過程中邏輯狀態高速變換造成系統電流和電壓變化產生的噪聲、溫度變化時的直流噪聲及供電電源本身產生的噪聲。

（2）地線噪聲

系統內各部分的地線之間出現電位差或存在接地阻抗引起的接地噪聲。

（3）反射噪聲

傳輸線路各部分的特性阻抗不同或與負載阻抗不匹配時，所傳輸的信號在終端（或臨界）部位產生反射，使信號波形發生畸變或產生振蕩。

（4）串擾噪聲

由于扁平電纜或束捆導線等傳輸線之間、印制電路板內平行印制導線之間的是磁感應及高速開關電流通過分布電容等寄生參數把無用信號成分疊加在目的信號上引起的噪聲。

3、抑制干擾噪聲的措施

（1）電源和地線噪聲的抑制

在車用CD，VCD中大量地應用CMOS數字器件和數字模擬混合器件，當設備工作時這些器件同時工作會使電路板內的電源電壓和地電平波動，導致信號波形產生尖峰過沖或衰減振蕩，造成數字IC電路的噪聲容限下降而引起誤動作。其原因是數字IC的開關電流在電源線、地線上形成的電壓降與印制條和元器件引腳的分布電感所形成的感應電壓降，兩者起作用的結果。

為抑制電源和地線噪聲，筆者認為在車用VCD設計中可采取以下措施：

1）選用貼片元件和盡可能縮短元件的引腳長度，以減小元件分布電感的影響；選用噪聲容限大的數字IC。

2）在VDD及VOC電源端盡可能靠近器件接入濾波電容，以縮短開關電流的流通途徑，用10µ；F鋁電解和0.1µ；F獨石電容并聯接在電源腳上。對于MPEG板主電源輸入端和MPEG解碼芯片以及DRAM，SDRAM等高速數字IC的電源端可用鉭電解電容代替鋁電解電容，因為高頻時鉭電解的對地阻抗比鋁電解小得多。

3）印制板布局時，要將模擬電路區和數字電路區合理地分開，電源和地線單獨引出，電源供給處匯集到一點；PCB布線時，高頻數字信號線要用短線，主要信號線最好集中在PCB板中心，時鐘發生電路應在板中心附近，時鐘扇出應采用菊鏈式或并聯布線，電源線盡可能遠離高頻數字信號線或用地線隔開 。

4）印制板的電源線和地線印制條盡可能寬，以減小線電阻，從而減小公共阻抗引起的干擾噪聲 。

5）對數模混合電路，VDD與VOC應連到模擬電源VOC，AGND與DGND接到模擬地AGND。根據BB，PHILIPS，ALPINE公司實驗結果，建議把D/A器件視為模擬器件，MPEG電路與D/A器件連接中，D/A器件必須置于AGND上，同時要提供一條數字回路供這些數字噪聲/能量反饋回信號源，以減小數字器件的噪聲對模擬電路的影響，使D/A器件的動態特性提高。

根據實測VCD機MPEG解壓板數字電源VDD與模擬電源VOC的噪聲電平，得知電源上疊加的噪聲電平已相當小，VDD噪聲電平與VOC噪聲電平波形基本一致，且數字電源噪聲電平（VPP=85mV）明顯大于模擬電源的噪聲電平，這說明這些干擾脈沖主要由數字信號產生的。

（2）反射干擾噪聲的抑制

要想抑制反射干擾，就要設法使發送端和終端的阻抗匹配，或者把傳輸線的長度盡可能，即l

1）DSP輸出端加適當電阻使之與束捆線和扁平電纜的特性阻抗基本一致，使發送端的阻抗基本匹配，以抵消數字信號脈沖上升/下降的過沖。

2）把束捆線的長度縮短為l

3）用終端二極管取代匹配電阻，此法已廣泛用于數字IC的芯片制作中，作為輸入/輸出端的匹配和保護網絡，這種匹配方法有以下優點：能改善終端波形，對發送端的電平高低沒有影響；補設方便，同機有多個負載時達到最佳匹配；具有保護作用，可有效抑制過沖脈沖。

4）加速形電路可減上因連接線不匹配引起干擾噪聲，整形電路通常加在輸入端前，但要注意不能使信號產生新的相位變化。

（3）數字信號的串擾抑制

所謂串擾是指信號傳輸線在傳輸信號的過程中，在其相鄰信號線上引起嚴重的干擾噪聲，大多發生在扁平電纜，束捆導線或印制板電路上平行的印制導線之間。串擾的強弱與相鄰兩信號線之間的互阻抗和信號本身的阻抗有關，下面討論扁平電纜的串擾問題。

現代數字AV產品中，廣泛使用扁平電纜做連接導線，雖有很多優點，但若使用不當，很容易發生串擾，影響數字產品的正常工作，扁平電纜的各導線之間的均有分布電容，經實際測量，每10cm長的相鄰導線間的分布電容約3pF。頻率為100MHz時，1pF電容的阻抗為1.6kΩ，10cm傳輸的耦合阻抗僅為0.5kΩ，而且扁平電纜導線的分布電容與其長度成正比，布線較長時串擾更為嚴重。在車用VCD中采取以下措施：

1）盡可能縮短信號線的傳輸長度。

2）在多種電平的信號傳輸時，應盡量把前后沿時間相近的同級電平信號劃為一組傳輸。就VCD來說，DATA，BCK，LRCK信號與主時鐘之間用一根地線相互隔離。必要時用屏蔽線代替柬捆線來傳輸MCLK和BCK時鐘，減小串擾和輻射。

3）若條件允許，在雙面印制板布線時，正面傳輸高頻數字信號和時鐘信號，在其傳輸印制電路背面盡可能加大接地面積，這樣由于平行導線間的分布電容在導線接近地平面時會變小的緣故，信號線之間串音干擾會減小；在MPEG芯片、DRAM、SDRAM及其它高速數字器件印制板布線時，其背面布上大片地線，地線可以吸收屏蔽器件產生的高頻脈沖噪聲。

篇8

固態電容相對于液態電容有非常好的電氣性能。液態電容的隔離紙中浸潤有電解液，具有易蒸發、易泄漏和易燃的缺點。而固態電容的隔離紙中浸潤的是導電高分子材料，不會有漏液的顧慮。而且，導電高分子材料導電性能更佳。液態電容的電容量和阻抗受溫度變化影響較大，而固態電容的性能指標則非常穩定。以上特點決定了固態電容相對于液態電容有耐高溫、壽命更長、更低的等效串聯電阻和耐高紋波電流的優勢。

由于上述原因，有不少發燒友把主板改造為全固態電容，用更優秀的電氣性能去壓榨處理器的極限。但是改造存在非常大的風險，一些廠商如DFI、技嘉和華碩等則專門針對發燒友推出了使用全固態電容的主板，都是口碑非常不錯的超頻極品如DFI LANParty UT NF4 SLI－DR Venus限量版、技嘉GA－965P－DQ6，華碩P5B－E Plus。技嘉近日推出了多款使用全固態電容的主板，除了頂級的GA－965P－DQ6之外，P965芯片組還有DS4和DS3兩款，以及使用945P芯片組的GA－945P－DS3和945PL芯片組的GA－945PL－DS3字母D代表了使用全固態電容。

我們發現，以往本屬于高端產品的全固態電容主板已經有了向中低端發展的趨勢，甚至低端的945PL芯片組也有全固態電容主板，這樣的搭配對消費者來說有意義么，中低端用戶雖然沒有強烈的超頻需求，但是仍然希望能夠買到高品質的主板。電容是主板上最脆弱的部件，不少品牌的主板都曾爆出過電容“爆漿”事件，固態電容電氣性能優秀對降低主板的故障率有顯著的幫助。在75℃以上的高溫中，液態電容的壽命為16000小時，這種環境中固態電容的壽命約是液態電容的三倍。在95℃以上的高溫中，液態電容的壽命為4000小時，而固態電容也可以達到6000多個小時。

篇9

關鍵詞 開關電源；電容；故障現象；維修方法

中圖分類號 TK94 文獻標識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)071-0178-02

目前，開關電源已逐漸進入我們的日常生活和生產中，它以節能，環保，性價比高等優點，很快取代了以往傳統的那種既笨重效率又低的“線性電源”，很快被人們所接受。而電容器在開關電源中是最重要且最容易產生故障的元器件之一，而且故障現象不容易判別，使維修較為困難。本文就針對電容器在開關電源中的作用闡述其原理，常見故障分析以及維修方法。

1 電容在開關電源中的作用

1.1 濾波

濾波是電容的作用中很重要的一部分。幾乎所有的電源電路中都會用到。濾波電容好比“水池”，將電能轉變成池中的水并能將水還原成電能。從理論上（即假設電容為純電容）說，電容越大，阻抗越小，通過的頻率也越高。但實際上大于1 uF的電容大多為電解電容，有很大的電感成份，所以頻率高后反而阻抗會增大。有時會看到有一個電容量較大電解電容并聯了一個小電容，這時大電容通低頻，小電容通高頻。電容的作用就是通高阻低，通高頻阻低頻。電容越大低頻越容易通過，電容越大高頻越容易通過。具體用在濾波中，大電容（1000 uF）濾低頻，小電容（20 pF）濾高頻。

1.2 旁路

旁路電容是為本地器件提供能量的儲能器件，它能使穩壓器的輸出均勻化，降低負載需求。就像小型可充電電池一樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進行放電。為盡量減少阻抗，旁路電容要盡量靠近負載器件的供電電源管腳和地管腳。這能夠很好地防止輸入值過大而導致的地電位抬高和噪聲。

1.3 去藕

從電路來說，總是可以區分為驅動的源和被驅動的負載。如果負載電容比較大，驅動電路要把電容充電、放電，才能完成信號的跳變，在上 升沿比較陡峭的時候，電流比較大，這樣驅動的電流就會吸收很大的電源電流，由于電路中的電感，電阻（特別是芯片管腳上的電感，會產生反彈），這種電流相對 于正常情況來說實際上就是一種噪聲，會影響前級的正常工作，這就是耦合作用。

1.4 儲能

儲能型電容器通過整流器收集電荷，并將存儲的能量通過變換器引線傳送至電源的輸出端。電壓額定值為40～450VDC、電容值在220～150000 uF之間的鋁電解電容器（如EPCOS公司的B43504或B43505）是較為常用的。根據不同的電源要求，器件有時會采用串聯、并聯或其組合的形式，對于功率級超過10 KW的電源，通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容器。

2 電容器損壞在開關電源中出現的故障現象

電容器的損壞、失效有以下幾種情況：

1）電容內部的短、斷路損壞，故障現象是燒開關管及其他限流元器件，如保險與開關電源中的限流電阻。電容短、斷路損壞工作在高電壓、大電流（例如彩電的開關電源、行輸出電路）中的濾波電容器，當因某種原因使電壓升高，并超過其耐壓值時，使之擊穿短路損壞，或由于整流二極管損壞后使有極性的電解電容器相當于工作在交流電路中，在較大的反向漏電流下發熱而短路損壞。由于短路時流過電容器的電流很大，一般電容器都會爆裂或使其封口膠塞脹出。濾波電容短路后，常出現保險絲或限流電阻燒斷、電源厚膜塊或開關管、整流管擊穿之類的故障。主要表現為整機“三無”，這種故障在各類開關電源中帶有共性。

2）電容器容量降低引起的低效或輕微漏電，其故障現象是電視圖像“S”形扭曲或行不同步現象，對于現在的用IIC總線的電視機出現一些特別的故障現象，如果因影響使同步牌臨界狀態，伴音大可能影響到電視機的質量，使得伴章隨時出現。主要原因是電容器的參數改變，但沒完全失效，在一定程度上還有作用，但達不到應有的作用，使得現有的故障現象出現。而且此類故障不好判斷與排除。

3）電容器容量消失引起的失效、完全漏電或爆漿，是電源中電容出現故障后最難判別與維修的故障，因為測量電容器件，用萬用表測試一切正常，但將電容安裝在電路上后，電容的容量就完全消失，這是電路中最難維修的軟故障之一，即元器件不能承受電壓，一有電壓的存在，容易就完全消失。

爆漿的種類：

分兩類，輸入電容爆漿和輸出電容爆漿。

對于輸入電容來說，就是在電源電路中體積較大、容易較大、額定電壓高的電容器，對接收到的電流進行過濾。輸入電容爆漿和電源輸入電流及電容器本身的品質有關。過多的毛刺電壓，峰值電壓過高，電流不穩定等都使電容過于充放電過于頻繁，長時間處于這類工作環境下的電容，內部溫度升高很快。超過泄爆口的承受極限就會發生爆漿。

對于輸出電容來說，對經電源模塊調整后的電流進行濾波與儲能。此處電流經過一次過濾，比較平穩，發生爆漿的可能性相對來說小了不少。但如果環境溫度過高，電容同樣容易發生

爆漿。

電容爆漿的原因有很多，比如電流大于允許的穩波電流、使用電壓超出工作電壓、逆向電壓、頻繁的充放電等。但是最直接的原因就是高溫。我們知道電容有一個重要的參數就是耐溫值，指的就是電容內部電解液的沸點。當電容的內部溫度達到電解液的沸點時，電解液開始沸騰，電容內部的壓力升高，當壓力超過泄爆口的承受極限就發生了爆漿。所以說溫度是導致電容爆漿的直接原因。電容設計使用壽命大約為2萬小時，受環境溫度的影響也很大。電容的使用壽命隨溫度的增加而減小，實驗證明環境溫度每升高10℃，電容的壽命就會減半。主要原因就是溫度加速化學反應而使介質隨時間退化失效，這樣電容壽命終結。為了保證電容的穩定性，電容在插板前要經過長時間的高溫環境的測試。即使是在100℃，高品質的電容也可以工作幾千個小時。同時，提到的電容的壽命是指電容在使用過程中，電容容量不會超過標準范圍變化的10%。電容壽命指的是電容容量的問題，而不是設計壽命到達之后就發生爆漿。只是無法保證電容的設計的容量標準。所以，短時期內，正常使用的板卡電容就發生爆漿的情況，這就是電容品質問題。另外，不正常的使用情況也有可能發生電容爆漿的情況。

3 電容器損壞在開關電源中故障的維修方法。

1）對于短路與斷路的電容，用萬用表很快能測量出元件器的質量好壞。主要是測量其充電性能，而不是充放電性能，判斷出故障的電容器件后，在替換過程中，要特別注意所替換的電容器件一定要在質量上過關，選用質量好的電容器件，在容量上與額定電壓上一定要與替換的電容一致或大于已損壞的電容，要替換之前，一定要再次判斷即將要替換的電容器件的質量，有時候新買來的的元件器同樣存在質量問題，如果不加以判斷就安裝，假設新買來的元器件真正存在問題，就會給維修帶來非常大的困難，因為所換上的元件一般都會認為不存在問題，所以在再次維修時，就不會再檢測這個元件，使維修出現非常大的人為故障，從而使維修更加困難。

2）對于電容器出現低效與失效時，最常用用的方法是運用代換法，當出現開關電源保護，在其他關鍵元器件經測量判別后沒有故障，而電容器在測量后也不能發現故障時，對電容器件進行普遍代換，因為出現軟故障的器件在沒有電壓與電流的情況下，所判別出的元器件在質量上是沒問題的，但在有電壓與電流時的工作過程中，元件的質量出現問題，這類故障在用常規的測量法是沒辦法檢查出故障元件的，用代換法可以起到非常好的效果。

電容器件在開關電源是常常出現故障，而且有些故障不容易判斷，同時電容器在開關電源中如何運用而不容易出現故障，希望通通過分析希望得到一定的收獲。

參考文獻

[1]鐘和清,徐至新,鄒云屏,潘垣,李勁.軟開關高壓開關電源設計方法研究[J].高電壓技術,2005,01.

篇10

關鍵詞　開關電源　電磁干擾　抑制措施　耦合

目前，許多大學及科研單位都進行了開關電源EMI（Electromagnetic　Interference）的研究，他們中有些從EMI產生的機理出發，有些從EMI　產生的影響出發，都提出了許多實用有價值的方案。這里分析與比較了幾種有效的方案，并為開關電源EMI　的抑制措施提出新的參考建議。

一、開關電源電磁干擾的產生機理

開關電源產生的干擾，按噪聲干擾源種類來分，可分為尖峰干擾和諧波干擾兩種;若按耦合通路來分，可分為傳導干擾和輻射干擾兩種。現在按噪聲干擾源來分別說明：

1、二極管的反向恢復時間引起的干擾

高頻整流回路中的整流二極管正向導通時有較大的正向電流流過，在其受反偏電壓而轉向截止時，由于PN結中有較多的載流子積累，因而在載流子消失之前的一段時間里，電流會反向流動，致使載流子消失的反向恢復電流急劇減少而發生很大的電流變化(di/dt)。

2、開關管工作時產生的諧波干擾

功率開關管在導通時流過較大的脈沖電流。例如正激型、推挽型和橋式變換器的輸入電流波形在阻性負載時近似為矩形波，其中含有豐富的高次諧波分量。當采用零電流、零電壓開關時，這種諧波干擾將會很小。另外，功率開關管在截止期間，高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變，也會產生尖峰干擾。

3、交流輸入回路產生的干擾

無工頻變壓器的開關電源輸入端整流管在反向恢復期間會引起高頻衰減振蕩產生干擾。

開關電源產生的尖峰干擾和諧波干擾能量，通過開關電源的輸入輸出線傳播出去而形成的干擾稱之為傳導干擾;而諧波和寄生振蕩的能量，通過輸入輸出線傳播時，都會在空間產生電場和磁場。這種通過電磁輻射產生的干擾稱為輻射干擾。

4、其他原因

元器件的寄生參數，開關電源的原理圖設計不夠完美，印刷線路板（PCB）走線通常采用手工布置，具有很大的隨意性，PCB的近場干擾大，并且印刷板上器件的安裝、放置，以及方位的不合理都會造成EMI干擾。

二、開關電源EMI的特點

作為工作于開關狀態的能量轉換裝置，開關電源的電壓、電流變化率很高，產生的干擾強度較大；干擾源主要集中在功率開關期間以及與之相連的散熱器和高平變壓器，相對于數字電路干擾源的位置較為清楚；開關頻率不高（從幾十千赫和數兆赫茲），主要的干擾形式是傳導干擾和近場干擾;而印刷線路板(PCB)走線通常采用手工布線，具有更大的隨意性，這增加了PCB分布參數的提取和近場干擾估計的難度.

三、EMI測試技術

目前診斷差模共模干擾的三種方法：射頻電流探頭、差模抑制網絡、噪聲分離網絡。用射頻電流探頭是測量差模　共模干擾最簡單的方法，但測量結果與標準限值比較要經過較復雜的換算。差模抑制網絡結構簡單（見圖1），測量結果可直接與標準限值比較，但只能測量共模干擾。噪聲分離網絡是最理想的方法，但其關鍵部件變壓器的制造要求很高。

四、目前抑制干擾的幾種措施

形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設備。因而，抑制電磁干擾也應該從這三方面著手。首先應該抑制干擾源，直接消除干擾原因;其次是消除干擾源和受擾設備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑（見圖2）;第三是提高受擾設備的抗擾能力，減低其對噪聲的敏感度。目前抑制干擾的幾種措施基本上都是用切斷電磁干擾源和受擾設備之間的耦合通道，它們確是行之有效的辦法。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。

采用屏蔽技術可以有效地抑制開關電源的電磁輻射干擾。例如，功率開關管和輸出二極管通常有較大的功率損耗，為了散熱往往需要安裝散熱器或直接安裝在電源底板上。器件安裝時需要導熱性能好的絕緣片進行絕緣，這就使器件與底板和散熱器之間產生了分布電容，開關電源的底板是交流電源的地線，因而通過器件與底板之間的分布電容將電磁干擾耦合到交流輸入端產生共模干擾，解決這個問題的辦法是采用兩層絕緣片之間夾一層屏蔽片，并把屏蔽片接到直流地上，割斷了射頻干擾向輸入電網傳播的途徑。為了抑制開關電源產生的輻射，電磁干擾對其他電子設備的影響，可完全按照對磁場屏蔽的方法來加工屏蔽罩，然后將整個屏蔽罩與系統的機殼和地連接為一體，就能對電磁場進行有效的屏蔽。電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用。例如，靜電屏蔽層接地可以抑制變化電場的干擾;電磁屏蔽用的導體原則上可以不接地，但不接地的屏蔽導體時常增強靜電耦合而產生所謂“負靜電屏蔽”效應，所以仍以接地為好，這樣使電磁屏蔽能同時發揮靜電屏蔽的作用。電路的公共參考點與大地相連，可為信號回路提供穩定的參考電位。因此，系統中的安全保護地線、屏蔽接地線和公共參考地線各自形成接地母線后，最終都與大地相連.

在電路系統設計中應遵循“一點接地”的原則，如果形成多點接地，會出現閉合的接地環路，當磁力線穿過該回路時將產生磁感應噪聲，實際上很難實現“一點接地”。因此，為降低接地阻抗，消除分布電容的影響而采取平面式或多點接地，利用一個導電平面(底板或多層印制板電路的導電平面層等)作為參考地，需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進一步減小接地回路的壓降，可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統中，應分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨連接后，再連接到公共參考點上。

濾波是抑制傳導干擾的一種很好的辦法。例如，在電源輸入端接上濾波器，可以抑制開關電源產生并向電網反饋的干擾，也可以抑制來自電網的噪聲對電源本身的侵害。在濾波電路中，還采用很多專用的濾波元件，如穿心電容器、三端電容器、鐵氧體磁環，它們能夠改善電路的濾波特性。恰當地設計或選擇濾波器，并正確地安裝和使用濾波器，是抗干擾技術的重要組成部分。

EMI濾波技術是一種抑制尖脈沖干擾的有效措施，可以濾除多種原因產生的傳導干擾。圖3是一種由電容、電感組成的EMI濾波器，接在開關電源的輸入端。電路中，C1、C5是高頻旁路電容，用于濾除兩輸入電源線間的差模干擾;L1與C2、C4;L2與C3、C4組成共模干擾濾波環節，用于濾除電源線與地之間非對稱的共模干擾;L3、L4的初次級匝數相等、極性相反，交流電流在磁芯中產生的磁通相反，因而可有效地抑制共模干擾。測試表明，只要適當選擇元器件的參數，便可較好地抑制開關電源產生的傳導干擾。

五、目前開關電源EMI抑制措施的不足之處

現有的抑制措施大多從消除干擾源和受擾設備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑出發，這確是抑制干擾的一種行之有效的辦法，但很少有人涉及直接控制干擾源，消除干擾，或提高受擾設備的抗擾能力，殊不知后者還有許多發展的空間。

六、改進措施的建議

我認為目前從電磁干擾的傳播途徑出發來抑制干擾，已漸進成熟。我們的視點要回到開關電源器件本身來。從多年的工作實踐來看，在電路方面要注意以下幾點：

(1)印制板布局時，要將模擬電路區和數字電路區合理地分開，電源和地線單獨引出，電源供給處匯集到一點;PCB布線時，高頻數字信號線要用短線，主要信號線最好集中在PCB板中心，同時電源線盡可能遠離高頻數字信號線或用地線隔開。其次，可以根據耦合系數來布線，盡量減少干擾耦合。（見表1）

(2)印制板的電源線和地線印制條盡可能寬，以減小線阻抗，從而減小公共阻抗引起的干擾噪聲。

(3)器件多選用貼片元件和盡可能縮短元件的引腳長度，以減小元件分布電感的影響。