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1、1,开关电源中元件选择,2,主要内容,电阻器电容器光耦运算放大器比较器保险丝,3,电阻器(1)-基本知识,定义：RU/I电阻器类型：碳质电阻，碳膜电阻，金属化电阻，金属氧化膜电阻，贴片电阻，线绕电阻，温度电阻（NTC，PTC），取样电阻，压敏电阻等.电阻值与公差电阻值与公差 电阻标称值按10进对数分割，根据公差不同分为E48，E24，E12和E6等。公差为1%，5%，10%和20%等。以5%为例，E24的标称值为 1,1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6,1.8,2.0,2.2,2.4,2.7,3.0,3.3,3.9,4.3,4.7,5.1,5.6,6.2,6.8,7.5,8.2,9
2、.1,4,电阻(2)定额,定额 标称值-不能任意取 额定功率PI2R,I有效值。实际上还是允许温升决定功率损耗。例如线绕电阻可达270C 额定电压：与电阻尺寸和绝缘有关。例如使用贴片电阻由300V直流提供辅助电源，不能使用一个电阻降压等等。,5,电阻(3)温度系数,电阻的温度系数碳膜电阻 3501350ppm*/C金属膜电阻 25100ppm/C 金属氧化膜电阻 100300 ppm/C 线绕电阻（镍铬）25100 ppm/C 贴片电阻 100200 ppm/C 水泥线绕电阻 20300 ppm/C 铜导线电阻 4260 ppm/C 康铜 近似为零,6,电阻(4)-电阻的使用,普通负载电阻功率
3、：选择额定功率比实际电路功率大1倍。直流负载：P=U2/R 开关电路：P=DU2/R或P=I2R 缓冲电路：P=fCU2电压：只用额定电压一半数值和公差:一般要求不严格，由电路决定，防失控电阻（最大电阻值）。定时电阻：精度高，温度系数小。（选大电阻）,7,电阻(5)-电阻的使用,取样电阻电压取样：至少1个采用10k，同类电阻，如果要求输出电压精度高，应当选择高精度。电流取样：无感电阻双线反绕线绕电阻，四端电阻；分流器，康铜丝，金属化电阻多个并联。PCB铜皮线（过流检测）35m,m,8,电阻(6)-电阻的使用电阻,可变电阻：功率注意限制电流；电位器可靠性差。限流电阻：限制启动电容充电电流采用线绕
4、电阻；NTC，PTC限流和温度补偿降压电阻：贴片电阻注意电压定额，和最大电阻值1M一般PCB上最大电阻值。,9,电阻(7)-电阻的使用电阻,压敏电阻MOV特性：类似稳压管双向击穿特性击穿电压：通常对应1A电压值UB残压比：1000A时电压与击穿电压之比吸收能量：J应用：并联在被保护元件端器件，电感，输入电路（抗尖峰，雷击等）单独应用：配合保险丝应用（浪涌吸收）。,10,MOV应用,例如电感电流10A，电感量为10mH(0.5J)正常工作时电感两端最大峰值电压为50V，电感两端最大过电压为200V。可以选择大于能量0.5J，击穿电压60V以上的压敏电阻。一般压敏电阻击穿电压为1A测试值，残压比乘
5、以击穿电压对应的电流通常在1000A以上，这里电感电流10A很容易达到。如果选择残压比为10的80V压敏电阻，对应1000A的电压为1080V800V，假设电压随电流线性增加，10A时MOV端电压1000A:10=(800V-80V):(U-80)，解得对应10A的保护电压大约为88V，小于200V。如果希望保护电压与击穿电压接近，应选择较小残压比的MOV。避雷,11,电容器,开关电源使用各种电容器：按极性分极性电容和非极性电容；按材料分铝、钽和铌电解电容，无机电容：陶瓷电容和云母电容；有机薄膜电容等，按功能分有X，Y电容，Snabber电容，穿心电容等，去耦电容，定时电容，滤波电容和谐振电容
6、等,12,一、电容器的基本原理,结构：电容器的基本结构是由两块导体极板，中间隔离有不同的电介质（绝缘体）组成。其符号如图（b)所示。,充电：当两个端子接到电源时，电源正极将相连极板电子吸走，留下正电荷；而负极向另一极板同时送人相等电子。在外电路形成电流。直到极板电压等于极板两端电压。,13,定义：,或,电容量与结构和介质有关：,F,0 r,A极板面积（m2);d极板间距离（m),通常电容器名称是以介质材料来命名的,14,表1 一些材料的相对介电常数 材料 r 材料 r空气 1.0 橡胶 2.7蒸馏水8.0 云母 67.5腊纸 4.3 玻璃 5.58矿物油2.2 陶瓷 5.8尼龙 3.55 氧化
7、铝 7.510聚酯薄膜3.1 导热硅脂3.94.3人造云母5.2 聚四氟乙烯1.82.2,15,电容电路中电流,电容存储的能量,(J),电容电压不能突变，PW/T,正弦交流(u=Umsint)电路中的电容,式中,16,二、电容器的主要参数,1.容量：单位F，（mF），F，nF，pF,标称值和电阻相同。按照公差等级决定序列。,如公差10%：1.0，1.2，1.5，1.8，2.0，2.7，3.3，3.6,4.7，6.8和8.2等，像4.7F，0.047F，47pF等等,误差等级1%（00）级，2%(0)级，5%（）级，10%（）级和20%（）级,容量标注在外壳上，测试条件为25C，1F 测试频率为
8、120Hz，1F C1nF 测试频率为1kHz,17,2.电压定额,电容器介质中的电场强度大于它的允许电场强度，这是绝缘介质中的电子被拉出来，产生雪崩效应，引起介质击穿。额定电压一般比击穿电压低。高电压定额的电容需要更厚的介质，比低电压体积大。,额定直流电压：电容两极能施加的最高直流电压。额定交流电压：受损耗限制，一般比直流电压低得多。并随频率增加允许交流电压降低。,例如：某电容直流额额定电压为600V，而50Hz交流额定电压为30V。某电容50Hz交流额定电压为400V，而在400HZ应用，额定电压降低为240V等。,通常选择电容额定电压不得小于电容所承受电路最高电压的125%。,18,3.
9、ESR、ESL和损耗系数,电容等效电路：C，ESR，ESL和RS,ESR：引线、焊接和介质极化损耗。介质损耗与温度和频率有关。,ESL：引线、电容极板结构有关。,RS：泄漏电阻，一般很大,损耗系数：容量1F，用120Hz；1F，用1kHz。C（F），DF（）,Z,f,19,各种电容引线结构典型ESL,SMT元件典型值在28nH。径向引线型(插入式）电容在10nH30nH，螺旋端子电容2050nH，轴向引线型低于200nH。,容芯卷绕大，平叠小。,20,4.纹波电流和dv/dt定额,电容温升是ESR损耗引起的。为了保证电容的寿命,电容规定了允许纹波电流值，而有些电容规定了电压变化率，即dV/dt
10、,一般用V/s表示。决定此电容脉冲电流(CdV/dt)能力。,电容损耗：,I纹波电流有效值（A）;,绝缘介质决定了最高温度Tm，环境温度Ta决定温升T。而电容器的体积决定了散热面积，即决定了热阻，因此给定电容的允许损耗也就确定了。不同电容的ESR不同，各种电容允许的稳态电流有效值也不同。超过电容的温升，将引起电容寿命大大缩短或爆裂。,21,三、电容类型和应用场合,3.1 极性电容电解电容铝电解，钽电解和铌电解电容,1.铝电解电容一般电解电容指铝电解电容,结构：纯铝阳极电极板一面电极，一面阳极化生成氧化铝介质，为了增加面积，增加电容量极板氧化成多孔结构。电解液与阴极电气相连。（化成电压13520
11、0%额定电压）,工作寿命：ESR增加30%，或电容量减少到80%判定电容寿命终止。温度上限的工作时间为工作寿命。如2k小时，5k小时或10k小时等。,温度范围：2585，4085，5585，40105，55105和55125等等,22,寿命降额：阿亨纽斯（Arrhenius）定律，容芯温度减少10，寿命增加1倍。电压超过额定电压也要降额。但额定工作电压最大不应大于电容定额的电压。ESR与纹波电流：电解电容的温升是ResrI2引起的。开关电源中输出纹波电压主要是ESR引起的。而I为纹波电流的有效值。ESR：20kHz以上，一般ESR与其容量的乘积为RESRC508010-6(s)。,23,按开关
12、电源允许输出纹波电压Upp和纹波电流 I（Buck类LC滤波通常为负载电流的20%）选择电容量。,例：Buck类LC滤波输出电流为20A,允许纹波纹波电压为100mV。f=50kHz.选择电解电容。解：纹波电流为0.2Io=0.220=4A。因为Upp IRESR 46510-6/C,则需要C 46510-6/0.1=2600F。如果不考虑ESR，按照此容量计算纹波电压为Upp IT/2C 42010-6/(2260010-6）=15.4mV按实际ESR计算纹波,24,如果是反激类电感（反激变换器变压器，Boost，Buck/Buck，Cuk等电感）电容电流有很大的峰值电流。除了按峰值电流选取
13、电容IOFpResr Upp 外，还应检查电容交流有效值不应当超过限值。例如电感电流是断续模式(Ip25A峰值电流),允许纹波：Upp100 mV，选择电容量,F,TR,断续(Ip峰值电流)，DRTR/T=0.5：,A,25,反激连续，D0.5,连续(Ia中值电流)：,Ia,连续交流电流有效值应当小于所选电容允许电流有效值：,需要的电容量：,F,反激输出纹波尖刺问题,26,工频整流电容滤波电容选择,能量关系,t,Ii,Uip,Ii,UL,k=UL/Up；,脉冲宽度,流过电容的交流有效值,输出接开关电源，输入电流有效值为Isw，电容电流总有效值,27,设计计算参数表,举例：输出功率为100W，变
14、换器效率为85%，变换器由220V/50Hz交流电源供电，经桥式整流，电容滤波，给DC/DC变换器供电，变换器允许输入纹波电压峰峰值为30V，选择输入滤波电容。解：查得2.119,0.0076得到电容电容电流有效值,F,A,28,使用,1.因为电容老化与温度紧密相关，多个电容安装在一起时，电容之间应当留有空隙，便于散热，电解电容不同外形尺寸的电容间距离为40以上5mm,1835应3mm，616应2mm；,2.电容安装时尽量不要靠近功率器件和发热源；,3.不要用有机洗涤剂清洗；,4.电路电压最高电压不超过耐压值的1.2倍；,5.不能反极性；,6.已安装在PCB上的电容不得强迫拉压或歪扭；,7.在
15、电压允许的情况下，电容的端尽可能靠近，减少引线电感。缩短引线。8.并联引线相等,29,2、钽电容,钽电容比铝电容具有好得多的高频特性，但价格贵，而且电压限制在100V和容量数百F以下，失效为常为短路极易着火。中功率电源输入最好选择铝电解电容，而输出低压采用贴片钽电容。当然贴片比插件的容量小而电压低。比铝电解电容更好的低温性能。钽电解电容选择与铝电解电容相似。仍以输出纹波电压和ESR选择电容量。,30,3.2 无极性电容,1.有机薄膜电容,介质：薄膜电容有聚乙烯、聚酯（CL）、聚丙烯(CB)、聚四氟乙烯(CF)、聚碳酸脂（CLS）等薄膜电容。精密、温度特性好、低漏电流。类型：1.金属箔/膜电容金
16、属箔作为电极。极低的ESR，可以承受很高的dV/dt和交流电流。体积大，价格高。容量小（低于0.01F)2.金属化电容 喷涂在介质铝层作为电极。ESR大，较低的dV/dt和交流电流能力。体积小，价格低，有自愈能力。容量大。,31,使用：,相同容量金属箔常用于脉冲、交流高压、缓冲电路（snubber）和谐振电路。例如二极管缓冲电容选择步骤：1)不接C测量示波图振荡频率fc;2)在D上并联Cx观察示波图使振荡频率fm=fc/2,电路等效分布电容C Cx/3;3)分布电感为L1/（2fc)2C;4)选择 5)选择电容 电阻功耗：dV/dt 要求：应当大于Uo/trr,32,金属化电容在局部击穿时产生
17、高温，金属箔蒸发不会短路，电容量减少极小，这种现象就是所谓自愈能力，体积小，价格低。这类电容除了一般应用以外，常用于电磁兼容的X电容和Y电容。对X电容可选得大一些（典型值为0.1F1F），电压定额 2500V安全要求漏电流不得大于工频泄漏电流为0.253.5mA（由产品标准定）常选14.7nF，2.2nF为典型值，电压3000V,33,金属化聚碳酸酯膜介质CLS体积小，耐高温、温度系数小、绝缘电阻高、自愈性。常应用于逻辑控制电路、延时、积分、滤波、耦合和移相电路。*金属化电容不使用在低电容、小于0.01F、谐振电路、吸收电路和低噪声。壳温升不超过15C，高温环境壳温不超过最高允许温度。,34,
18、2.无机介质电容,云母电容：云母片为介质，浸银后形成电极。电容量在数pF到1F；电压定额在50Vdc到2500V-55150内电容量漂移不超过0.5%比有机介质箔电容更高的dV/dt能力 体积较大，成本较高。适合于定时、缓冲电路和高频交流电路使用。,35,陶瓷介质电容：,介质成分是钛酸盐、铌镁酸铅等,分类：3类1类：高精度，1pF到几个mF；1类：高精度，1pF到几个mF；2类：独石电容，和1类相同的壳体，容量是以上电容2070倍，但在温度55125范围内变化大约10%，最大变化为15%25%；3类：电容容量是2类大约5倍，电容量随电压和温度变化较大。温度范围2585，电容变化大约20%65%
19、,36,使用,1类用于定时、谐振电路和需要补偿温度效应的电路，也适合要求低损耗和高绝缘电阻的一般电路中使用。在收音机、电视机、收录机等电子产品种要求容量稳定的交直流的脉冲电路中使用。在收音机、电视机、收录机等电子产品种要求容量稳定的交直流的脉冲电路中使用。2类电容量大，外形尺寸小。电路中用于隔直流、旁路耦合、滤波和对损耗和容量稳定性要求不高的场合。3类 容量大，但要求不高的地方，价格低廉。多层陶瓷电容，代替低压电解电容,ESR特地，影响闭环设计，断裂为主要失效模式。,37,四、开关电源中电容器,1、输入EMC滤波、整流和PFC,C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,Ui,UoHV,C8,2
20、20V,50Hz,A,B,38,C1,C4EMC差模（常模）滤波：一般采用有机介质金属化交流电容。通常称为X电容。,C2,C3EMC共模滤波：一般称为Y电容。通常采用高压一类陶瓷电容，或高压金属化电容。要求较低的ESR。数值受安全泄漏电流(3mA)限制。,C5PFC输入电容：通常采用金属化电容，如CBB。保证PFC工作，输入整流电压为零附近有1V左右电压。减少输入电流过零失真,一般在14 F。,C6,C7缓冲（Snubber）电容：一般采用金属箔/膜电容，具有很高的dV/dt能力，以及非常小的ESR和ESL。通常称为snubber 电容。,C8输出滤波电容：铝电解电容，按纹波电压要求，根据峰值
21、电流和电容的ESR选择容量，检查电容的纹波电流定额是否满足电路要求。,39,2.功率电路,C11,C9,C9,C10 Snubber电容，要求极低ESR，一般按dV/dt能力选择电容。,C10,C11输出滤波电容，电解电容，按纹波电压要求，根据纹波电流和电容的ESR选择电容量。,UoHV,Uo,辅助线圈,40,3.辅助电路,C12,C13,C14,CT,C15,控制 IC,驱动,C16,A,C12工频滤波，电解电容电容，按交流整流滤波选择电容量；,C13电解电容。按控制芯片欠压保护回差UUNIT/C选择电容量。I控制电路输入电流；T功率电路启动时间。,C14定时电容。薄膜电容或云母电容等精密电
22、容。,C15 C16去耦电容。一般用途，3类陶瓷及任何电容。,B,来自辅助线圈,41,光耦光耦合器,LED与光敏晶体管组成使用：1.传输比：=Ic/ID。不同的初级二极管电流,是不同的，有非常明显得非线性；2.传输比和三极管的一样，离散性很大，同时传输比也与温度有关，且比温度系数大。3.如果作为开关，有开关延迟。普通光耦延迟0.21s。如果是光敏晶体管与三极管复合提高传输比的器件，延迟可达35s。高速光耦一般传输比低。4.次级输出管存在暗电流Is，具有正温度系数。5.虽然初级与次级之间通过光传递信息，但在高压应用时，应当注意隔离电压定额。6.击穿电压,ic,ic,uce,id,is,42,运算
23、放大器,高增益的直流放大器（80dB)。输入是差动放大器减少飘移；输出通常是OCL电路减少输出电阻。,单电源与双电源：一般NPN输入为双电源，如一个输入为直流基准，另一个输入为电压取样，也可使用双电源；PNP输入为单电源。,小信号放大：输入信号小于10mV时，要考虑Ios，Uos和Ib。,43,运放,波形变换时，不要用运放做比较器SR如果放大交流信号，要注意选择的运放增益带宽积比系统BW高。尽量采用反相放大器，避免过高的CMR要求。放大器反馈电阻不要小于2k,44,比较器,也是高增益直流放大器，但SR高。输出有OC和OCL通常使用开环（单门限）或正反馈（双门限）。前者多用于波形变换，后者多用于
24、保护。如果门限要求精确，在反馈回路中增加二极管,45,保险丝,或称熔断器，串联在电路中，作为过流保护定额：电流有效值，额定电压类型：慢熔延时型，双元件慢熔型，快速型，很快速型 慢熔型保险丝对启动浪涌不敏感，可承受20倍额定电流冲击，同时对过载较长时间才保护。通常用于启动冲击电流大的电动机，变压器，白炽灯和电容负载保护。实际试验标明，如果工作电流不大于手册定额的25保险丝寿命在室温（25）将是无限长。,46,保险丝选择,快速型保险丝不耐冲击，短时间过流就会断开，一般按电路满载额定电流的150300选择保险丝定额。,额定工作电流：保险丝额定电流典型降低25，以避免误动作。例如，保险丝电流定额10A,一般不推荐工作电流大于7.5A；具有I2t特性，过流断开时间长短与过流倍数呈反延时特性。过流倍数越大，熔断时间越短。应当选择保险丝的断开额定电压与电路电压对应；必须知道电路冲击电流，浪涌电流，和启动电流特性在保险丝技术指标范围内。,47,超过保险丝的额定环境温度，保险丝电流应当降额；常温条件下，不大于额定电流的25使用，寿命无限长；所选择的保险丝应当符合UL,CSA,和VDE安全要求；应当考虑低的安装成本，更换容易等等。更换时，快速代替快速，慢熔代替慢熔。总是用相同电流和相同电压定额代替。,
