【開關電源】電容的功率損耗及計算方法-KIA MOS管

電容的功率損耗

電容在開關電源電路中主要起穩壓、濾除輸入/輸出噪聲的作用。與理想的電容模型不同，電容元件的實際物理特性導致損耗的產生，電容的這些損耗降低了開關電源的效率。這些損耗主要表現在三個方面：串聯電阻損耗、漏電流損耗和電介質損耗。

（1）等效串聯電阻損耗：由于電流在每個開關周期流入、流出電容，電容固有的電阻(RC)將造成一定功耗。

（2）漏電流損耗：由于電容絕緣材料的電阻(R_L)導致較小電流流過電容而產生的功率損耗。

（3）電介質損耗：由于電容兩端施加了交流電壓，電容電場發生變化，從而使電介質分子極化造成功率損耗，此項比較復雜。

圖 實際的電容等效模型

三種損耗都體現在電容的典型損耗模型中(圖左邊部分)，用電阻代表每項損耗。與電容儲能相關的每項損耗的功率用功耗系數(DF)表示，或損耗角正切(δ)。每項損耗的 DF 可以通過由電容阻抗的實部與虛部比得到，可以將每項損耗分別插入模型中。

為簡化損耗模型，圖中的串聯電阻損耗、漏電流損耗和電介質損耗集中等為一個等效串聯電阻(ESR)。ESR 定義為電容阻抗中消耗有功功率的部分。

推算電容阻抗模型、計算 ESR(結果的實部)時，ESR 是頻率的函數。這種相關性可以在下面簡化的 ESR 等式中得到證明：

式中，DF_R、DF_L和 DF_D是串聯電阻、漏電流和電介質損耗的功耗系數。

利用這個等式，我們可以觀察到隨著信號頻率的增加，漏電流損耗和電介質損耗都有所減小，直到串聯電阻損耗從一個較高頻點開始占主導地位。在該頻點(式中沒有包括該參數)以上，ESR 因為高頻交流電流的趨膚效應趨于增大。

許多電容制造商提供 ESR 曲線圖表示 ESR 與頻率的關系。例如，TDK 為其大多數電容產品提供了 ESR 曲線，參考這些與開關頻率對應曲線圖，得到 ESR 值。

然而，如果沒有 ESR 曲線圖，可以通過電容數據資料中的 DF 規格粗略估算 ESR。DF 是電容的整體 DF (包括所有損耗)，也可以按照下式估算 ESR：

無論采用哪種方法來得到 ESR 值，高 ESR 會降低開關電源效率，既然輸入和輸出電容在每個開關周期通過 ESR 充電、放電。

這導致 I² * R_ESR功率損耗。這個損耗(P_CAP(ESR))可以按照下式計算：

P_CAP(ESR) = I_CAP(RMS)² * R_ESR

式中，ICAP(RMS)是流經電容的交流電流有效值 RMS。

對 Buck 變換器的輸出電容，可以采用電感紋波電流的有效值 RMS。

對 Buck 變換器的輸入濾波電容，RMS 電流的計算比較復雜，可以按照下式得到一個合理的估算值：

I_CIN(RMS) = I_OUT/V_IN * [V_OUT (V_IN – V_OUT)]1/2

顯然，為減小電容功率損耗，應選擇低 ESR 電容，尤其是在較大紋波電流的時候。ESR 是產生輸出電壓紋波的主要原因，因此選擇低 ESR 的電容不僅僅提高效率，還可以降低輸出電壓紋波。

一般來說，不同類型電介質的電容具有不同的 ESR 等級。對于給定的容量和額定電壓，鋁電解電容和鉭電容就比陶瓷電容具有更高的 ESR 值。聚酯和聚丙烯電容的 ESR 值介于它們之間，但這些電容尺寸較大，開關電源中很少使用。

對于給定類型的電容，根據 ESR 公式可以看出，較大容量、較低的 DFs 能夠提供較低的 ESR。大尺寸電容通常也會降低 ESR，但會帶來較大的等效串聯電感（例如電解電容），從而降低性能，陶瓷電容被視為比較好的折中選擇。此外，電容值一定的條件下，較低的電容額定電壓也有助于減小 ESR。

聯系方式：鄒先生

聯系電話：0755-83888366-8022

手機：18123972950

QQ：2880195519

聯系地址：深圳市福田區金田路3037號金中環國際商務大廈2109

請搜微信公眾號:“KIA半導體”或掃一掃下圖“關注”官方微信公眾號

請“關注”官方微信公眾號:提供  MOS管  技術幫助

免責聲明：本網站部分文章或圖片來源其它出處，如有侵權，請聯系刪除。