鋁電解電容器的特性及應(yīng)用

　上電沖擊電流的抑制

　　由于鋁聚合物電解電容器的ESR極小，上電過(guò)程中電容器上沒(méi)有初始電壓，因此，將產(chǎn)生幅值很高的上電沖擊電流。一般情況下，應(yīng)將沖擊電流幅值限 制在10A以下或低于允許紋波電流的10倍以下。通常的DC/DC變換器的輸入僅用一個(gè)低ESR電容器濾波，這時(shí)，如選用鋁聚合物電解電容器作為輸入濾波 電容器（假設(shè)ESR和電源內(nèi)阻分別為90mW和50mW，輸入電壓為24V），其上電電流峰值可能達(dá)到：

　　遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁聚合物電解電容器的紋波電流承受能力。必須考慮上電過(guò)程的沖擊電流限制。可以采用AC/DC變換器上電電流限制方法，如串聯(lián)限流電阻，見(jiàn)圖2（a），則：

　　這種電路的最大特點(diǎn)是電路極其簡(jiǎn)單，所付出的代價(jià)則是降低了變換器的效率，在輸入電壓較低的DC/DC變換器應(yīng)用中不宜采用。要解決這個(gè)問(wèn)題， 可以采用AC/DC變換器的方案，通過(guò)繼電器的觸點(diǎn)，上電后經(jīng)過(guò)一個(gè)延遲時(shí)間將限流電阻短路，如圖2（b）所示。這種電路的問(wèn)題是繼電器的體積與DC /DC變換器體積矛盾，以及控制繼電器所需的功率將影響變換器的效率。還可以在電源與DC/DC變換器的輸入端串接負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，如圖2（c）所 示，這個(gè)方案看起來(lái)似乎特別合理，但是對(duì)于低電壓輸入的DC/DC變換器，其熱態(tài)的電阻會(huì)影響變換器的效率，這種電路的缺點(diǎn)是在高溫環(huán)境下熱敏電阻將不能 有效地起到限流作用。還可以采用熱插拔電路，如圖2（d）所示，能很好地解決這個(gè)問(wèn)題。當(dāng)然也可以在變換器輸入部分串接一個(gè)帶有磁芯的電感， 允許的峰值電流為：
得到其電感量的關(guān)系為：

　　當(dāng)輸入電壓為24V，輸入濾波電容器為22mF，限制電流在10A以下時(shí)的電感量為：

　　為防止限流電感釋放儲(chǔ)能時(shí)產(chǎn)生浪涌過(guò)壓，可以在限流電感上反并聯(lián)二極管。

　　用于輸出整流濾波時(shí)的短路電流限制

　　由于鋁聚合物電解電容器的ESR極小，用于輸出整流濾波時(shí)，由于負(fù)載短路或其它原因，會(huì)出現(xiàn)瞬間的高幅值放電電流。因此，具有鋁聚合物電解電容 器的AC/DC變換器或DC/DC模塊，可以采用類似熱插拔的電路抑制輸出短路電流。需要注意的是，這時(shí)的短路保護(hù)不再是關(guān)閉開關(guān)管，而是切斷變換器的輸 出與外界的聯(lián)系。

　　對(duì)于負(fù)載的上電過(guò)程，如果負(fù)載的輸入濾波電容不是鋁聚合物電解電容器，通常無(wú)需特意限制輸出的放電電流值。其原因是，小的薄膜電容器的容量相對(duì) 很小，上電的瞬時(shí)沖擊電流持續(xù)時(shí)間極短，或可以通過(guò)回路的寄生電感加以限制。而負(fù)載用鋁電解電容器作為輸入濾波，則由于鋁電解電容器的ESR相對(duì)很大，有 效地限制了負(fù)載上電過(guò)程的沖擊電流。

　　圖1  電容器的溫度特性

　　圖2  限制上電電流的措施

　　鋁聚合物電解電容器的并聯(lián)及與其它電容器的并聯(lián)

　　為將鋁聚合物電解電容器的紋波電流限制在允許范圍內(nèi)，可以采用多個(gè)容量小的鋁聚合物電解電容并聯(lián)。如10V/4.7mF電容器的額定紋波電流為 670mA，而10V/47mF、10V/470mF的鋁聚合物電解電容器的額定紋波電流分別為1620mA、4510mA，從紋波電流值考慮，一個(gè) 10V/47mF和一個(gè)10V/470mF分別可以用兩個(gè)半和6.7個(gè)10V/4.7mF替代。同樣，10個(gè)10V/4.7mF可以流過(guò)6700mA的紋 波電流，而一個(gè)10V/47mF僅能流過(guò)1620mA的紋波電流。因此，在紋波電流比較大的應(yīng)用中，可以考慮采用多個(gè)電容器并聯(lián)的方式，在開關(guān)電源和電腦 主板的電壓變換部分也常采用這種解決方案。由于寄生電感的作用，通常產(chǎn)生紋波電流的電路可以認(rèn)為是紋波電流源。這樣，濾波電容器的ESR與尖峰電壓的關(guān)系 可以用式（6）表示：（6）其中，Vpeak、Ir分別為峰值電壓和紋波電流。

　　可以看到，若紋波電流峰值為5A，ESR為10mW，則紋波峰值電壓為50mV，若ESR為100mW，則紋波峰值電壓為500mV。 10V/4.7mF、10V/47mF和10V/470mF鋁聚合物電解電容器的ESR分別為：240 mW、50 mW和13 mW，如果這個(gè)紋波電流峰值分別流過(guò)上述電容器，則會(huì)產(chǎn)生1200mV、250mV、75 mV紋波峰值電壓，如果用5個(gè)10V/47mF并聯(lián)，盡管容量?jī)H為235mF，但是ESR可以下降到10 mW，可以將紋波電壓峰值限制在50mV以內(nèi)。

　　與其它種類電容器并聯(lián)時(shí)，在低頻段，電容器呈容性，紋波電流根據(jù)電容量的比例分配。在中頻段則以ESR的倒數(shù)比例進(jìn)行分配，這是由于鋁聚合物電 解電容器的ESR比鋁電解電容器和鉭電解電容器小得多，因此，將分得較大比例的紋波電流。在高頻段是按各電容器寄生電感的倒數(shù)比例進(jìn)行分配，寄生電感小的 電容器將流過(guò)比較大的紋波電流。種類不同但容量相同的電容器并聯(lián)時(shí)，若在某個(gè)頻段，各電容器分別呈現(xiàn)容性、阻性、感性，則呈現(xiàn)容性的電容器上的紋波電流最 大，通常，這個(gè)呈現(xiàn)容性的電容器就是鋁聚合物電解電容器，這就需要注意鋁聚合物電解電容器上的紋波電流是否超過(guò)允許的紋波電流值。

　　結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)上述分析，可以看出鋁聚合物電解電容器由于其結(jié)構(gòu)和材料的不同，具有明顯優(yōu)于其它電解電容器的特點(diǎn)。在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)捷、高效、可靠。