基于高壓陶瓷電容設計的開關電源優(yōu)勢分析
現代電源技術中，無論是線性電源還是開關電源，鋁電解電容都是必不可少的關鍵器件。然而，在行業(yè)內常規(guī)的AC-DC電源設計中，鋁電解電容會給電源帶來高低溫條件下可靠性差、壽命短等問題。那么，有沒有一種既能替代傳統(tǒng)鋁電解電容，又能提高電源可靠性和壽命的器件呢？本文著重從高壓陶瓷電容與傳統(tǒng)鋁電解電容的優(yōu)劣勢對比進行探討與分析。
一、鋁電解電容的設計缺陷
AC-DC電源轉換器，要實現交流到直流的變換，首先需要將交流電壓經過整流濾波后形成一個穩(wěn)定、平滑的直流電壓給自身及外部器件供電。而電解電容由于具有單位體積內電容量大、額定容量大（可實現法拉級）、價格低廉等優(yōu)點，常成為常規(guī)開關電源中整流濾波的關鍵器件。電解電容是由鋁圓筒做負極，里面裝有液體電解質，插入一片彎曲的鋁帶做正極制成，電解液在高溫和低溫等極端條件下，非常容易漏液和干涸，從而使其電氣屬性發(fā)生變化，最終導致電容失效。一旦鋁電解電容失效，因其劇烈反應形成壓力，就會釋放出易燃、腐蝕性氣體，導致AC-DC模塊電源失效。
根據鋁電解電容的物理結構，可以電路等效，其中CAK代表兩電極間的理想電容量；Rp是并聯(lián)電阻，代表了電容的漏電流成分；Rl代表了電容引出端及電極部分的串聯(lián)電阻成分；L代表了引出線和連接處的等效串聯(lián)電感成分。
鋁電解電容的性能主要依賴其中介質部分，即陽極金屬氧化膜部分。除受初始工藝的影響外，在工作過程中，電解液也會不斷修補并增厚該氧化膜，隨著陽極金屬氧化膜的不斷增厚，鋁電解電容等效電路模型中的電容值C會不斷下降，等效串聯(lián)電阻ESR會不斷增大，同時陰極反應產生的氫氣又加速了電解液的揮發(fā)，這些便是引起鋁電解電容退化的主要因素。
因而，雖然電解電容有著其他類型的電容無法替代的優(yōu)勢，但還是具有內部損耗大、靜電容量誤差大、漏電流大、高低溫特性差等缺陷。故采用電解電容設計的常規(guī)AC-DC電源模塊在高低溫特性、可靠性、使用壽命等方面具有明顯的劣勢。
那么，如果AC-DC電源設計中不使用電解電容，電源產品將會怎樣呢？無電解電容的AC-DC電源模塊是否可避免上述致命缺陷？
日前，金升陽通過采用高壓陶瓷電容的填谷電路設計替代并優(yōu)化電解電容的基本功能，成功設計出滿足性能要求的無電解電容AC-DC電源模塊LN系列，解決了AC-DC電源因電解電容而帶來的產品大體積、壽命短、高低溫性能差等問題。
二、無電解電容產品的優(yōu)勢
與電解電容相比，陶瓷電容具有極低的ESR和ESL，能降低因寄生參數而引起的損壞風險；同時，因陶瓷電容的電解質在高低溫等極限條件下不易揮發(fā)、凝固，容量相對穩(wěn)定，能長時間保持電容的電氣特性，從而極大地提高了電源產品的高低溫性能和長期使用的可靠性。
1）高效、環(huán)保
LN系列采用填谷電路進行設計，利用高壓陶瓷電容完美替代鋁電解電容，增加了整流管的導通角，使輸入電流波形從尖峰脈沖變得更接近正弦波，從而大幅度提高電源的功率因素（如表1所示），提高電源的轉換效率，更加利于環(huán)保節(jié)能，顯著降低總諧波失真。如圖1所示：
以下所有表中舊方案為采用電解電容的產品，新方案為采用填谷電路無電解電容的新產品
2）產品壽命的提升
電源本身是一個功率器件，在正常工作時功率損耗通過熱的形式散發(fā)到外部，其內部的變壓器、開關器件、整流二極管等都是發(fā)熱器件。除內部因素外，大部分電源需應用在較高的環(huán)境溫度中，這些都會導致電解液的揮發(fā)，降低電解電容的使用壽命。
陶瓷電容采用特性最穩(wěn)定的陶瓷材料作為介質，特別是一類陶瓷電容（NOP)能實現-55℃~+125℃的工作環(huán)境溫度，容量變化不超過±30ppm/℃。電容溫度變化時，容值很穩(wěn)定，即具有溫度補償功能，適用于要求容值在溫度變化范圍內穩(wěn)定和高Q值的線路以及各種諧振線路中；二/三類陶瓷（X7R）實現-55℃~+125℃的工作溫度范圍內，容量最大的變化為±15%。
從高壓陶瓷電容的介質與鋁電解電容的電解液介質本身的特性可以看出，陶瓷電容能夠承受更嚴格的環(huán)境要求，對電源產品的壽命、可靠性的設計都有著重要的意義，能夠很大程度地提高電源產品的使用壽命以及可靠性。
電解電容AC-DC電源模塊LN系列通過采用填谷電路，利用高壓陶瓷電容成功替代鋁電解電容，能夠有效避免電解電容因內部電解液導致的高低溫性能差問題；避免因電解液的揮發(fā)導致電容容值下降、電源產品壽命降低問題；甚至可以避免因電解液的劇烈噴發(fā)或者漏液引起的安全問題。
3）穩(wěn)定的高低溫特性
目前，大多數常規(guī)電解電容的額定工作溫度為105℃，但因電解電容在高溫條件下電解液易揮發(fā)，電源本身發(fā)熱較大等原因，常規(guī)采用電解電容的AC-DC電源只能工作在70℃的環(huán)境條件下。要提高電源的工作環(huán)境溫度，必須采用價格更昂貴、體積更大的電解電容，或者以降額的方式實現高低溫條件下的應用，下面以金升陽常規(guī)AC-DC電源產品在高低溫環(huán)境下的降額要求如圖3：
金升陽LN系列能在成本、體積變化不大的情況下實現高溫工作，能滿足-40℃到70℃條件下無任何降額要求，可應用在環(huán)境溫度較高/較低，且對電源產品的可靠性、使用壽命較高的場合，如路燈控制、LED等行業(yè)。
4）高EMC特性
金升陽無電解電容LN系列產品，充分考慮到不同應用場合、不同的設計要求，對產品的EMC性能進行了全面的升級優(yōu)化。在模塊內部通過PCB設計、采用多級EMC濾波等方式實現在無任何外圍防護器件的情況下EMI滿足CLSSB，防浪涌能力達4級。
三、總結
電解電容AC-DC電源模塊LN系列的成功開發(fā)證明AC-DC電源設計中也可不使用電解電容。通過采用高壓陶瓷電容的填谷電路設計替代并優(yōu)化電解電容的基本功能，能夠完美解決電源模塊因電解電容本身固有缺陷而產生的高低溫性能差、可靠性差、使用壽命短等問題。
一、鋁電解電容的設計缺陷
AC-DC電源轉換器，要實現交流到直流的變換，首先需要將交流電壓經過整流濾波后形成一個穩(wěn)定、平滑的直流電壓給自身及外部器件供電。而電解電容由于具有單位體積內電容量大、額定容量大（可實現法拉級）、價格低廉等優(yōu)點，常成為常規(guī)開關電源中整流濾波的關鍵器件。電解電容是由鋁圓筒做負極，里面裝有液體電解質，插入一片彎曲的鋁帶做正極制成，電解液在高溫和低溫等極端條件下，非常容易漏液和干涸，從而使其電氣屬性發(fā)生變化，最終導致電容失效。一旦鋁電解電容失效，因其劇烈反應形成壓力，就會釋放出易燃、腐蝕性氣體，導致AC-DC模塊電源失效。
根據鋁電解電容的物理結構，可以電路等效，其中CAK代表兩電極間的理想電容量；Rp是并聯(lián)電阻，代表了電容的漏電流成分；Rl代表了電容引出端及電極部分的串聯(lián)電阻成分；L代表了引出線和連接處的等效串聯(lián)電感成分。
鋁電解電容的性能主要依賴其中介質部分，即陽極金屬氧化膜部分。除受初始工藝的影響外，在工作過程中，電解液也會不斷修補并增厚該氧化膜，隨著陽極金屬氧化膜的不斷增厚，鋁電解電容等效電路模型中的電容值C會不斷下降，等效串聯(lián)電阻ESR會不斷增大，同時陰極反應產生的氫氣又加速了電解液的揮發(fā)，這些便是引起鋁電解電容退化的主要因素。
因而，雖然電解電容有著其他類型的電容無法替代的優(yōu)勢，但還是具有內部損耗大、靜電容量誤差大、漏電流大、高低溫特性差等缺陷。故采用電解電容設計的常規(guī)AC-DC電源模塊在高低溫特性、可靠性、使用壽命等方面具有明顯的劣勢。
那么，如果AC-DC電源設計中不使用電解電容，電源產品將會怎樣呢？無電解電容的AC-DC電源模塊是否可避免上述致命缺陷？
日前，金升陽通過采用高壓陶瓷電容的填谷電路設計替代并優(yōu)化電解電容的基本功能，成功設計出滿足性能要求的無電解電容AC-DC電源模塊LN系列，解決了AC-DC電源因電解電容而帶來的產品大體積、壽命短、高低溫性能差等問題。
二、無電解電容產品的優(yōu)勢
與電解電容相比，陶瓷電容具有極低的ESR和ESL，能降低因寄生參數而引起的損壞風險；同時，因陶瓷電容的電解質在高低溫等極限條件下不易揮發(fā)、凝固，容量相對穩(wěn)定，能長時間保持電容的電氣特性，從而極大地提高了電源產品的高低溫性能和長期使用的可靠性。
1）高效、環(huán)保
LN系列采用填谷電路進行設計，利用高壓陶瓷電容完美替代鋁電解電容，增加了整流管的導通角，使輸入電流波形從尖峰脈沖變得更接近正弦波，從而大幅度提高電源的功率因素（如表1所示），提高電源的轉換效率，更加利于環(huán)保節(jié)能，顯著降低總諧波失真。如圖1所示：
以下所有表中舊方案為采用電解電容的產品，新方案為采用填谷電路無電解電容的新產品
2）產品壽命的提升
電源本身是一個功率器件，在正常工作時功率損耗通過熱的形式散發(fā)到外部，其內部的變壓器、開關器件、整流二極管等都是發(fā)熱器件。除內部因素外，大部分電源需應用在較高的環(huán)境溫度中，這些都會導致電解液的揮發(fā)，降低電解電容的使用壽命。
陶瓷電容采用特性最穩(wěn)定的陶瓷材料作為介質，特別是一類陶瓷電容（NOP)能實現-55℃~+125℃的工作環(huán)境溫度，容量變化不超過±30ppm/℃。電容溫度變化時，容值很穩(wěn)定，即具有溫度補償功能，適用于要求容值在溫度變化范圍內穩(wěn)定和高Q值的線路以及各種諧振線路中；二/三類陶瓷（X7R）實現-55℃~+125℃的工作溫度范圍內，容量最大的變化為±15%。
從高壓陶瓷電容的介質與鋁電解電容的電解液介質本身的特性可以看出，陶瓷電容能夠承受更嚴格的環(huán)境要求，對電源產品的壽命、可靠性的設計都有著重要的意義，能夠很大程度地提高電源產品的使用壽命以及可靠性。
電解電容AC-DC電源模塊LN系列通過采用填谷電路，利用高壓陶瓷電容成功替代鋁電解電容，能夠有效避免電解電容因內部電解液導致的高低溫性能差問題；避免因電解液的揮發(fā)導致電容容值下降、電源產品壽命降低問題；甚至可以避免因電解液的劇烈噴發(fā)或者漏液引起的安全問題。
3）穩(wěn)定的高低溫特性
目前，大多數常規(guī)電解電容的額定工作溫度為105℃，但因電解電容在高溫條件下電解液易揮發(fā)，電源本身發(fā)熱較大等原因，常規(guī)采用電解電容的AC-DC電源只能工作在70℃的環(huán)境條件下。要提高電源的工作環(huán)境溫度，必須采用價格更昂貴、體積更大的電解電容，或者以降額的方式實現高低溫條件下的應用，下面以金升陽常規(guī)AC-DC電源產品在高低溫環(huán)境下的降額要求如圖3：
金升陽LN系列能在成本、體積變化不大的情況下實現高溫工作，能滿足-40℃到70℃條件下無任何降額要求，可應用在環(huán)境溫度較高/較低，且對電源產品的可靠性、使用壽命較高的場合，如路燈控制、LED等行業(yè)。
4）高EMC特性
金升陽無電解電容LN系列產品，充分考慮到不同應用場合、不同的設計要求，對產品的EMC性能進行了全面的升級優(yōu)化。在模塊內部通過PCB設計、采用多級EMC濾波等方式實現在無任何外圍防護器件的情況下EMI滿足CLSSB，防浪涌能力達4級。
三、總結
電解電容AC-DC電源模塊LN系列的成功開發(fā)證明AC-DC電源設計中也可不使用電解電容。通過采用高壓陶瓷電容的填谷電路設計替代并優(yōu)化電解電容的基本功能，能夠完美解決電源模塊因電解電容本身固有缺陷而產生的高低溫性能差、可靠性差、使用壽命短等問題。
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