【開關電源】電容的功率損耗及計算方法-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2023-07-06
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(RL)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，DFR、DFL和 DFD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 * RESR功率損耗。這個損耗(PCAP(ESR))可以按照下式計算：
PCAP(ESR) = ICAP(RMS)2 * RESR
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：
ICIN(RMS) = IOUT/VIN * [VOUT (VIN – VOUT)]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。
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