开关电源的元件选择

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1、开关电源中元件选择电阻器 电容器 光耦 运算放大器 比较器 保险丝电阻器（1） 基本知识定义：R = u/I R = pL丄电阻器类型：A “1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.& 2.0, 2.2, 2.4,2.7, 3.0, 3.3, 3.9, 4.3, 4.7,

2、 5.1, 5.6, 6.2, 6.&7.5, 8.2, 9.1电阻(2) 定额定额标称值不能任意取额定功率/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。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/oC 金属氧化膜电阻100300ppm/oC 线绕电阻(鎳珞)25100ppm/oC 贴片电阻100200ppm/oC 水泥线绕电阻20300 ppm/C 铜导线电阻4260ppm/oC 康铜近似为零7*i电阻（4）电阻

3、的使用普通负载电阻率：选择额定功率比实际电路功率大1倍。直流负载：PMIR开关 电路：P=DUyR或P=PR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）电阻(5) 电阻的使用取样电阻电压取样：至少1个采用10kQ,同类电阻， 如果要求输岀电压精度高，应当选择高精 度。电流取样：无感电阻一双线反绕线绕电阻,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) 35|imR 0.5 mQ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：

4、限制启动电容充电电流一采 用线绕电阻； NTC, PTC 限流和温度补偿降压电阻：贴片电阻一注意电压定额， 和最大电阻值 1MQ般PCB上最大电阻值。压敏电阻MOV了一一特性：类似稳压管双向击穿特，时 击穿电压：通常对应1A电压值残压比：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一器件，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）MOV应用例如电感电流1OA,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200Vo可以选择大于能量0.5J，击穿 电压60V以上的压敏电阻。一般庄敏电阻击穿由 压为

5、1A测试值，残压比乘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 o如果选择残压比为10的80V压敏电阻，对应 1000A的电压为10X80V = 800V,假设电压随电 流线性增加，10A时MOV端电压1000A:l0=(800V-80V ) :( U-80)，解得对应 10A 的保护电压大约为88V,小于200Vo如果希望保 护电压与击穿电压接近，应选择较小残压比的 MOVo避雷10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、袒和锐电解电容，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

6、， 穿心电容等，去耦电容，定时电容，滤 波电容和谐振电容等.、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I不同的电介质（绝缘体）组成 O其符号如图（b）所示。I C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? A -FH-I-I-HQ（c）电容器结构示意图和符号12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。定义0 = C/或c = u电容量与结构和介质有关：gogrA= grAd36加s A 6= 8.85-xlOF o =8.85 X 10_l2F/m(l X 10_9/36tt )4极板Mi积

7、(m?);/ 极板间距禺(m)通常电容器名称是以介质材料来命名的13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蒸憾水8.0云母6 7.5腊纸4.3玻璃5.5 8矿物油2.2陶瓷5.8尼龙3.55氧化铝7.5 10聚酯薄膜3.1导热硅脂3.9 4.3人造云母5.2聚四氟乙烯1.8 2.214;aarK三一 1KBE婕男1叩测试频率为120Hz, 1|liF ClnF 测试频率为 1kHz表2色码电容误差值FGCDJKMZ1 %士 2%土 0.2 5pF土 0.5pF5%10%20 %+80-20%182 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

8、电子被拉出来，产生雪崩效 应，引起介质击穿。额定由压一鞭比击穿电压低 O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。週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%。卩3ESR、ESL和损耗系数电容等效电路：C, ESR, ESL和饨Z Q + jESL + ReSR JG)CESR：引线、焊接和介

9、质极化损耗。 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1曲，用120Hz；IjllF,用 1kHz。C (|LIF) , DF (%)Df = tan5 _ Resr _ ResrC 10000 - 1000 IcoC 10000介/19各种电容引线结构典型ESL IO SMT元件典型值在28nH。径向 引线型（插入式）电容在10nH 問 30nH,螺旋端子电容2050nH, 轴向引线型低于200nHo容芯卷绕大，平叠小。4 纹波电流和dy/df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

10、了电压变化率，即dV/dt,般用V/|ls表不。决 定此电容脉冲电流（CdV/M能力。电容损耗：戶=心邸T-T=T = RthPm ath/纹波电流有效值（A）;绝缘介质决定了最高温度心，环境温度7；决定温升 ATo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。20三、电容类型和应用场合31极性电容一电解电容一铝电解，钮电解和 锯电解电容1铝电解电容一一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

11、极板氧化成多孔结构。 电解液与阴极电气相连。（化成电压135200%额定电压）温度范围：-25C85C, -40C85C, 55C85C, -40C105C, -55C105C和一55C 125C等等工作寿命：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。寿命降额：阿亨纽斯(Arrhenius)定律，容 芯温度减少10C ,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：电解电容的温升是仏孑引 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

12、有效值。ESR： 20kHz以上，一般ESR与其容量的乘积 为 RESrC = 5080X10-6(s)o22按开关电源允许输出纹波电压AU和纹波 电流A / （Buck类LC滤波通常为贪载电流 的20%）选择电容量。例：Buck类LC滤波输岀电流为20A,允许纹 波纹波电压为100mVo戶50kHz.选择电解 电容。解：纹波电流为0.2/o=0.2X20=4Ao因为 At/pp= A IResr = 4X65X 10C，则需要2 = 4X65X10-6/0.1-2600pFo如果不考虑ESR,按照此容量计算纹波电 压为 At/pp= A/7Z2C= 4X20X10(2X2600X10-6)

13、=15.4mV按实际ESR计算纹波如果是反激类电感（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电容/oFpXsr = 夕卜，还应检查电容交流有效值不应当超过O例如电感电流是断续模式（/2 = 5A峰值电流），允 许纹波：Upp=100mV,选择电容量I x 655 x 65匸C =3250piF“ 0.1pp340.50.25= 1.6A断续（厶一峰值电流），Dr=Tr/T=0.5：反激连续，D = 0.59连续(厶一中值电流):I =/ +A/2pa需要的电容量：/八65连续交流电流有效值应当小于所选电容允许电流有效值:I

14、 = ljD(l-D)Cs；3)分布电感为L：R 用高压一类陶瓷电容，或高压金属化电容。要求较低的IESRo数值受安全泄漏电流(3mA)限制。IC5-PFC输入电容：通常釆用金属化电容，如CBB。潭保证PFC工作，输入整流电压为零附近有IV左右电压。减 少输入电流萝零失真，一般在14|J F。C6, C7 缓冲(Snubber)电容：一般釆用金属箔/ 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。Cg输出滤波电容：铝电解电容，按纹波电压要求， 根据峰值电流和电容的ESR选择容量，检查电容的纹波电流 定额是否满足电路要求。38C9, C10 -Snu

15、bber电容，要求极低ESR, 般 按dV/dt能力选择电容。C 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。39电解电容电容，按交流整流滤波空选择电容量;03电解电容。按控制芯片欠压保护回差= 7C选择电容量。/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容。G5C16去耦电容。一般用途，3类陶瓷及任何电 容。|光耦一光耦合器meLED与光敏晶体管组成(使用：!1 传输比：y=i/ino不同的初级二极管电流，是 不同的，肴罪常明显得非线性；蓬;2传输比卩和三极管的“一样，离散性很人，同时 传输比也与温度有关，且比”温度

16、系数大。沁如果作为开关，有开关延迟。普通光耦延迟 O.lLlSo如果是光敏晶、体管、与三极管复合 提咼传输比的器件，竝迟可达35|ns。咼速 光耦_賊传*俞庄社o%4次级输出管存在暗电流1时具有正温度系数。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 击穿电压运算放大器高增益的直流放大器（80dB）。输入是 差动放大器一减少飘移；输出通常是 0CL电路一减少输岀电阻。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, 要考虑厶护匕$和厶。运放波形变换时，

17、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2kfl4344比较器也是高增益直流放大器，但SR高。输出有0C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 用于保护。如果门限要求精确，在反馈回路中增加 二极管#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

18、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（25C）将是无限长。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150 300%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1%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。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。