【开关电源】电容的功率耗损及计较体例-KIA MOS管

电容的功率耗损

电容在开关电源电路中首要起稳压、滤除输入/输入噪声的感化。与抱负的电容模子差别，电容元件的现实物理特征致使耗损的发生，电容的这些耗损下降了开关电源的效力。这些耗损首要表现在三个方面：串连电阻耗损、泄电流耗损和电介质耗损。

（1）等效串连电阻耗损：由于电流在每一个开关周期流入、流出电容，电容固有的电阻(RC)将形成必然功耗。

（2）泄电流耗损：由于电容绝缘材料的电阻(R_L)致使较小电流流过电容而发生的功率耗损。

（3）电介质耗损：由于电容两头施加了交换电压，电容电场发生变更，从而使电介质份子极化形胜利率耗损，此项比拟庞杂。

图 现实的电容等效模子

三种耗损都表现在电容的典范耗损模子中(图左侧局部)，用电阻代表每项耗损。与电容储能相干的每项耗损的功率勤奋耗系数(DF)表现，或耗损角正切(δ)。每项耗损的 DF 可以或许经由过程由电容阻抗的实部与虚部比获得，可以或许将每项耗损别离拔出模子中。

为简化耗损模子，图中的串连电阻耗损、泄电流耗损和电介质耗损集中等为一个等效串连电阻(ESR)。ESR 界说为电容阻抗中耗损有功功率的局部。

推算电容阻抗模子、计较 ESR(成果的实部)时，ESR 是频次的函数。这类相干性可以或许鄙人面简化的 ESR 等式中获得证实：

式中，DF_R、DF_L和 DF_D是串连电阻、泄电流和电介质耗损的功耗系数。

操纵这个等式，咱们可以或许察看到跟着旌旗灯号频次的增添，泄电流耗损和电介质耗损都有所减小，直到串连电阻耗损从一个较高频点起头占主导位置。在该频点(式中不包含该参数)以上，ESR 由于高频交换电流的趋肤效应趋于增大。

很多电容制作商供给 ESR 曲线图表现 ESR 与频次的干系。比方，TDK 为其大大都电容产物供给了 ESR 曲线，参考这些与开关频次对应曲线图，获得 ESR 值。

但是，若是不 ESR 曲线图，可以或许经由过程电容数据材料中的 DF 规格大略预算 ESR。DF 是电容的全体 DF (包含一切耗损)，也可以或许按照下式预算 ESR：

不管接纳哪一种体例来获得 ESR 值，高 ESR 会下降开关电源效力，既然输入和输入电容在每一个开关周期经由过程 ESR 充电、放电。

这致使 I² * R_ESR功率耗损。这个耗损(P_CAP(ESR))可以或许按照下式计较：

P_CAP(ESR) = I_CAP(RMS)² * R_ESR

式中，ICAP(RMS)是流经电容的交换电流有用值 RMS。

对 Buck 变更器的输入电容，可以或许接纳电感纹波电流的有用值 RMS。

对 Buck 变更器的输入滤波电容，RMS 电流的计较比拟庞杂，可以或许按照下式获得一个公道的预算值：

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

明显，为减小电容功率耗损，应挑选低 ESR 电容，特别是在较大纹波电流的时辰。ESR 是发生输入电压纹波的首要缘由，是以挑选低 ESR 的电容不只仅进步效力，还可以或许下降输入电压纹波。

普通来讲，差别范例电介质的电容具备差别的 ESR 品级。对给定的容量和额外电压，铝电解电容和钽电容就比陶瓷电容具备更高的 ESR 值。聚酯和聚丙烯电容的 ESR 值介于它们之间，但这些电容尺寸较大，开关电源中很少利用。

对给定范例的电容，按照 ESR 公式可以或许看出，较大容量、较低的 DFs 可以或许供给较低的 ESR。大尺寸电容凡是也会下降 ESR，但会带来较大的等效串连电感（比方电解电容），从而下降机能，陶瓷电容被视为比拟好的折衷挑选。另外，电容值必然的前提下，较低的电容额外电压也有助于减小 ESR。

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