基于高压陶瓷电容设计的开关电源优势分析

　　序 言
　　现代电源技术中，无论是线性电源还是开关电源，铝电解电容都是必不可少的关键器件。然而，在行业内常规的AC-DC电源设计中，铝电解电容会给电源带来高低温条件下可靠性差、寿命短等问题。那么，有没有一种既能替代传统铝电解电容，又能提高电源可靠性和寿命的器件呢?本文着重从高压陶瓷电容与传统铝电解电容的优劣势对比进行探讨与分析。
　　一、铝电解电容的设计缺陷
　　AC-DC电源转换器，要实现交流到直流的变换，首先需要将交流电压经过整流滤波后形成一个稳定、平滑的直流电压给自身及外部器件供电。而电解电容由于具有单位体积内电容量大、额定容量大(可实现法拉级)、价格低廉等优点，常成为常规开关电源中整流滤波的关键器件。电解电容是由铝圆筒做负极，里面装有液体电解质，插入一片弯曲的铝带做正极制成，电解液在高温和低温等极端条件下，非常容易漏液和干涸，从而使其电气属性发生变化，最终导致电容失效。一旦铝电解电容失效，因其剧烈反应形成压力，就会释放出易燃、腐蚀性气体，导致AC-DC模块电源失效。
　　根据铝电解电容的物理结构，可以用图 1中所示的电路等效，其中CAK代表两电极间的理想电容量;Rp 是并联电阻，代表了电容的漏电流成分;Rl 代表了电容引出端及电极部分的串联电阻成分;L 代表了引出线和连接处的等效串联电感成分。
　　


　　铝电解电容的性能主要依赖其中介质部分，即阳极金属氧化膜部分。除受初始工艺的影响外，在工作过程中，电解液也会不断修补并增厚该氧化膜，随着阳极金属氧化膜的不断增厚，铝电解电容等效电路模型中的电容值C会不断下降，等效串联电阻ESR会不断增大，同时阴极反应产生的氢气又加速了电解液的挥发，这些便是引起铝电解电容退化的主要因素。
　　因而，虽然电解电容有着其他类型的电容无法替代的优势，但还是具有内部损耗大、静电容量误差大、漏电流大、高低温特性差等缺陷。故采用电解电容设计的常规AC-DC电源模块在高低温特性、可靠性、使用寿命等方面具有明显的劣势。
　　那么，如果AC-DC电源设计中不使用电解电容，电源产品将会怎样呢?无电解电容的AC-DC电源模块是否可避免上述致命缺陷?
　　日前，金升阳通过采用高压陶瓷电容的填谷电路设计替代并优化电解电容的基本功能，成功设计出满足性能要求的无电解电容AC-DC电源模块LN系列，解决了AC-DC电源因电解电容而带来的产品大体积、寿命短、高低温性能差等问题。
　　二、无电解电容产品的优势
　　与电解电容相比，陶瓷电容具有极低的ESR和ESL，能降低因寄生参数而引起的损坏风险;同时，因陶瓷电容的电解质在高低温等极限条件下不易挥发、凝固，容量相对稳定，能长时间保持电容的电气特性，从而极大地提高了电源产品的高低温性能和长期使用的可靠性。
                               
                　　1)高效、环保
　　LN系列采用填谷电路进行设计，利用高压陶瓷电容完美替代铝电解电容，增加了整流管的导通角，使输入电流波形从尖峰脉冲变得更接近正弦波，从而大幅度提高电源的功率因素(如表1所示)，提高电源的转换效率，更加利于环保节能，显著降低总谐波失真。如图1所示：
　　


　　以下所有表中旧方案为采用电解电容的产品，新方案为采用填谷电路无电解电容的新产品
　　


　　2)产品寿命的提升
　　电源本身是一个功率器件，在正常工作时功率损耗通过热的形式散发到外部，其内部的变压器、开关器件、整流二极管等都是发热器件。除内部因素外，大部分电源需应用在较高的环境温度中，这些都会导致电解液的挥发，降低电解电容的使用寿命。
　　陶瓷电容采用特性最稳定的陶瓷材料作为介质，特别是一类陶瓷电容(NOP) 能实现-55℃~+125℃的工作环境温度，容量变化不超过±30ppm/℃。电容温度变化时，容值很稳定，即具有温度补偿功能，适用于要求容值在温度变化范围内稳定和高Q值的线路以及各种谐振线路中;二/三类陶瓷(X7R)实现-55℃~+125℃的工作温度范围内，容量最大的变化为 ±15%。
　　从高压陶瓷电容的介质与铝电解电容的电解液介质本身的特性可以看出，陶瓷电容能够承受更严格的环境要求，对电源产品的寿命、可靠性的设计都有着重要的意义，能够很大程度地提高电源产品的使用寿命以及可靠性。
　　金升阳无电解电容AC-DC电源模块LN系列通过采用填谷电路，利用高压陶瓷电容成功替代铝电解电容，能够有效避免电解电容因内部电解液导致的高低温性能差问题;避免因电解液的挥发导致电容容值下降、电源产品寿命降低问题;甚至可以避免因电解液的剧烈喷发或者漏液引起的安全问题。
　　3)稳定的高低温特性
　　目前，大多数常规电解电容的额定工作温度为105℃，但因电解电容在高温条件下电解液易挥发，电源本身发热较大等原因，常规采用电解电容的AC-DC电源只能工作在70℃的环境条件下。要提高电源的工作环境温度，必须采用价格更昂贵、体积更大的电解电容，或者以降额的方式实现高低温条件下的应用，下面以金升阳常规AC-DC电源产品在高低温环境下的降额要求如图3：
　　


　　金升阳LN系列能在成本、体积变化不大的情况下实现高温工作，能满足-40℃到70℃条件下无任何降额要求，可应用在环境温度较高/较低，且对电源产品的可靠性、使用寿命较高的场合，如路灯控制、LED等行业。
　　4)高EMC特性
　　金升阳无电解电容LN系列产品，充分考虑到不同应用场合、不同的设计要求，对产品的EMC性能进行了全面的升级优化。在模块内部通过PCB设计、采用多级EMC滤波等方式实现在无任何外围防护器件的情况下EMI满足CLSS B，防浪涌能力达4级。
　　三、总结
　　金升阳无电解电容AC-DC电源模块LN系列的成功开发证明AC-DC电源设计中也可不使用电解电容。通过采用高压陶瓷电容的填谷电路设计替代并优化电解电容的基本功能，能够完美解决电源模块因电解电容本身固有缺陷而产生的高低温性能差、可靠性差、使用寿命短等问题。