摘要：直流电源是电子设备的重要组成部分, 功率较小的直流电源大多采用线性稳压电源。在设计线性稳压电源时, 电容器作为其中的关键元件之一, 必须合理选择才能保证线性稳压电源具有良好的性能。
0 引言
线性稳压电源属于直流稳压电源, 在输入电压波动、负载变化时输出电压调整的速度相对较快。这种直流电源输出的纹波较小, 工作时产生的噪声较低, 是一种比较安全的电源设备, 在工业仪表、仪器控制等领域仍然有广泛的应用。
电容器是线性稳压电源中一个关键的元件, 其性能的好坏直接影响着直流稳压电源的技术指标。因此, 在设计线性稳压电源时, 必须合理选择电容器。
1 电容器的等效电路与频率特性1.1 电容器的等效电路
实际电容的等效电路是由等效串联电阻ESR、标称电容C和等效串联电感组成。
图1
1.1.1 等效串联电阻ESR
ESR是电容内所有损耗的综合, 由介质损耗和金属损耗组成。介质损耗由介质材料的特性决定, 每种介质材料有不同的损耗, 这一损耗的结果会使电容发热;金属损耗由电容结构中金属材料的导电性能决定, 包括电极、引脚和其它金属, 这类损耗包括欧姆损耗和高频的“趋肤效应”损耗, 因电容结构不同而有很大差异。
1.1.2 标称电容C
一般是指在1KHz, 1V等效AC电压, 直流偏压为0V情况下测到的。
1.1.3 等效串联电感ESL
ESL是由于电容的引线产生的电感, 在低频时感抗较小, 可忽略, 如选用贴片电容, 一般不用考虑ESL。
1.2 电容器频率特性
X7R电容的频率特性如图2所示。由图可知, 电容ESR与电容封装大小无关, 与电容的标称容量相关。
2 线性稳压电源电路中常用电容的特性
线性稳压电源电路中通常会用到三种电容:陶瓷电容、钽电容和铝电解电容, 三种电容器实物如图3所示。
2.1 陶瓷电容
陶瓷电容结构与电路模型如图3所示, 由电极和陶瓷电介质材料交替层构成, 贴片电容目前使用较多的有NPO、X7R、Y5V等。这三种规格的电容填充介质不同, 在相同的体积下构成的电容器的容量、介质损耗、容量稳定性等也就有所差异。
图2 X7R电容器频率特性图3 图4 陶瓷电容结构与电路模型
2.1.1 NPO电容器
NPO是一种最常用的陶瓷电容器, 它的填充介质是铷、钐和其它稀有氧化物, 具有温度补偿特性,电容量和介质损耗相对来说比较稳定线性稳压电源 c级串电阻, 但材质的介电常数小, 因此容量不可能太大, 一般在0.033u F左右。
NPO在温度从-55℃到+125℃时容量变化为0±30ppm/℃, NPO电容的漂移或滞后小于±0.05%, 相对大于±2%的薄膜电容来说是可以忽略不计的, 其典型的容量相对使用寿命的变化小于±0.1%, 在绝大多数的电路中都可以满足要求。NPO电容器适合用于振荡器、谐振器的槽路电容以及高频电路中的耦合电容。
2.1.2 X7R电容器
在相同的体积下X7R电容器的容量可以做得比较大, 而且X7R电容器的温度稳定性很好, 当温度在-55℃到+125℃时其容量变化为15%, X7R电容器主要用在要求不高的工业场合。
2.1.3 Y5V电容器
Y5V的介电常数较高, 在较小的物理尺寸下可以制造出高达几十微法的电容器。在-30℃到85℃范围内, Y5V电容器的容量变化可达+22%到-82%, 最大介质损耗达5%。尽管如此, 由于它体积较小、ESL和ESR都比较低、频率响应很好, 在退耦和滤波电路中应用比较广泛。
2.2 钽电容
钽电容结构与电路模型如图5所示。钽电容无论是原理和结构都像一个电池, 用钽丝紧紧围绕钽正极, 在表面生长氧化物;在负极通过浸渍以及热转换 (Mn→Mn O2) 形成, 最后用环氧树脂包封。
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