开关电源对电解电容性能的基本要求

        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件之一。通常，电解电容器的等效电路可以认为是理想电容器与寄生电感、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主要电源，为电子设备小型轻便化作出不可磨灭的贡献。开关电源不断的小型化、轻量化和高效率，在电子设备中使用量越来越大，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，高温度长寿命化和更适应高密度组装。

1 大容量、小体积
      由于电解电容器多数采用卷绕结构，很容易扩大体积，因此单位体积电容量非常大，比其它电容大几倍到几十倍。但是大电容量的获取是以体积的扩大为代价的，现代开关电源要求越来越高的效率，越来越小的体积，因此，有必要寻求新的解决办法，来获得大电容量、小体积的电容器。

       在开关电源的原边一旦采用有源滤波器电路，则铝电解电容器的使用环境变得比以前更为严酷：（1）高频脉冲电流主要是20 kHz~100kHz的脉动电流，而且大幅度增加；（2）变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）变换器多采用升压电路，因此要求耐高压的铝电解电容器。这样一来，利用以往技术制造的铝电解电容器，由于要吸收比以往更大的脉动电流，不得不选择大尺寸的电容器。结果，使电源的体积庞大，难以用于小型化的电子设备。为了解决这些难题，必须研究与开发一种新型的电解电容器，体积小、耐高压，并且允许流过大量高频脉冲电流。另外，这种电解电容器，在高温环境下工作，工作寿命还须比较长。

2 高温、长寿命化
       在开关电源设计过程中，不可避免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，迄今使用的最为广泛。但是, 最近几年却发生了显著变化，避免使用铝电解电容的情况正在增加。 出现这种变化的一个原因是，铝电解电容的寿命往往会成为整个设备的薄弱环节。电源模块制造厂家的工程师表示："对于铝电解电容这种寿命有限的元件，如果可以不用, 就尽量不要采用。"因为铝电解电容内部的电解液会蒸发或产生化学变化，导致静电容量减少或等效串联电阻(ESR)增大, 随着时间的推移，电容性能肯定会劣化。 
       电解电容器的寿命与电容器长期工作的环境温度有直接关系，温度越高，电容器的寿命越短。普通的电解电容器在环境温度为90℃时已经损坏，如：B41303，B43303等型号的电解电容器。但是现在有很多种类的电解电容器的工作环境温度已经很高，如B43502在环境温度为90℃，通过电解电容器的交流电流和额定脉冲电流的比为0.5时，寿命仍然为10000h，但是如果温度上升到95℃时，电解电容器即已经损坏。因此，在选择电容器的时候，应该根据具体的环境温度和其它的参数指标来选定，如果忽略了环境温度对电容器寿命的影响，那么电源工作的可靠性、稳定性将大大降低，甚至损坏设备和仪器。就一般情况而言，电解电容器工作在环境温度为80℃时，一般能达到10000h寿命的要求。 
      另一方面，电解电容器的寿命还与电容器长时间工作的交流电流与额定脉冲电流（一般是指在85℃的环境温度下测试值，但是有一些耐高温的电解电容器是在125℃时测试的数据）的比值有关。一般说来，这个比值越大，电解电容器的寿命越短，当流过电解电容器的电流为额定电流的3.8倍时，电解电容器一般都已经损坏。所以，电解电容器有它的安全工作区，对于一般应用，当交流电流与额定脉冲电流的比值在3.0倍以下时，对于寿命的要求已经满足。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  EPCOS的B43564铝电解电容器的寿命与温度、纹波电流的关系

3 高频低阻抗化
        对于中小输出功率开关电源的工作频率除少数因价格限制而仍采用20~40kHz外，大多数均在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（一般采用IGBT）的开关速度限制而一般在20~40kHz。尽管开关频率有所不同，但是开关电源的输出整流滤波电容器的作用基本相同，主要是通过利用滤波电容器吸收开关频率及其高