【開關(guān)電源】電容的功率損耗及計(jì)算方法-KIA MOS管

電容的功率損耗

電容在開關(guān)電源電路中主要起穩(wěn)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(shí)際物理特性導(dǎo)致?lián)p耗的產(chǎn)生，電容的這些損耗降低了開關(guān)電源的效率。這些損耗主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：串聯(lián)電阻損耗、漏電流損耗和電介質(zhì)損耗。

（1）等效串聯(lián)電阻損耗：由于電流在每個(gè)開關(guān)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(dǎo)致較小電流流過電容而產(chǎn)生的功率損耗。

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

圖 實(shí)際的電容等效模型

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

為簡化損耗模型，圖中的串聯(lián)電阻損耗、漏電流損耗和電介質(zhì)損耗集中等為一個(gè)等效串聯(lián)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(jì)算 ESR(結(jié)果的實(shí)部)時(shí)，ESR 是頻率的函數(shù)。這種相關(guān)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(lián)電阻、漏電流和電介質(zhì)損耗的功耗系數(shù)。

利用這個(gè)等式，我們可以觀察到隨著信號(hào)頻率的增加，漏電流損耗和電介質(zhì)損耗都有所減小，直到串聯(lián)電阻損耗從一個(gè)較高頻點(diǎn)開始占主導(dǎo)地位。在該頻點(diǎn)(式中沒有包括該參數(shù))以上，ESR 因?yàn)楦哳l交流電流的趨膚效應(yīng)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(guān)系。例如，TDK 為其大多數(shù)電容產(chǎn)品提供了 ESR 曲線，參考這些與開關(guān)頻率對(duì)應(yīng)曲線圖，得到 ESR 值。

然而，如果沒有 ESR 曲線圖，可以通過電容數(shù)據(jù)資料中的 DF 規(guī)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(huì)降低開關(guān)電源效率，既然輸入和輸出電容在每個(gè)開關(guān)周期通過 ESR 充電、放電。

這導(dǎo)致 I² * R_ESR功率損耗。這個(gè)損耗(P_CAP(ESR))可以按照下式計(jì)算：

P_CAP(ESR) = I_CAP(RMS)² * R_ESR

式中，ICAP(RMS)是流經(jīng)電容的交流電流有效值 RMS。

對(duì) 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(duì) Buck 變換器的輸入濾波電容，RMS 電流的計(jì)算比較復(fù)雜，可以按照下式得到一個(gè)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(yīng)選擇低 ESR 電容，尤其是在較大紋波電流的時(shí)候。ESR 是產(chǎn)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(zhì)的電容具有不同的 ESR 等級(jí)。對(duì)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(guān)電源中很少使用。

對(duì)于給定類型的電容，根據(jù) 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(huì)降低 ESR，但會(huì)帶來較大的等效串聯(lián)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。

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