1.3 開關電源元器件的特性與選用

選用好元器件，是決定開關電源質量的關鍵。往往設計的開關電源在實驗室中是成功的，一到生產線上進行規模生產時，就會出現各種問題。當然，有設計方面的，有工藝方面的，還有焊接方面的，但多數是元器件選用問題。元器件質量的差異是影響開關電源質量的一個重要原因。這里將討論各種元器件的規格、特性及選用的原則。

開關電源中的功率開關晶體管是影響電源可靠性的關鍵器件。開關電源所出現的故障中約60%是功率開關晶體管損壞引起的。主電路中用作開關的功率管主要有雙極型晶體管和MOSFET兩種。隨著綠色開關電源的發展，絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、雙極型靜電感應晶體管（BSIT）及聯柵晶體管（GAT）等新型功率開關器件也在不斷地涌現，開關電源的發展前景非常廣闊。

1.3.1 功率開關晶體管的特性與選用

1.MOSFET的特點及主要參數

現在MOSFET在電子電路中被廣泛應用，是因為單晶硅的結面積較大，能實現垂直傳導電流，使得電流的容量加大，焊接在PN結面的單晶硅具有高阻移動范圍，提高了結區耐壓量級，溝道電阻減小，開關速度提高，柵極電壓不以漏源間隙增加而變化，所以漏源電壓大大提高，極間電容減小。

MOSFET分P溝道耗盡型、N溝道耗盡型和P溝道增強型、N溝道增強型4種類型。增強型MOSFET具有應用方便的“常閉”特性（即驅動信號為零時，輸出等于零）。在開關電源中，用作功率開關管的MOSFET幾乎全部都是N溝道增強型器件。這是因為MOSFET是一種依靠多數載流子工作的單極型半導體器件，不存在二次擊穿和少數載流子的儲存時間問題，所以具有較大的安全工作區，良好的散熱穩定性。MOSFET用在開關電源電路中作為功率開關管，與雙極型功率晶體管相比具有一定的優勢。所有類型的功率驅動、有源功率因數校正、功率開關都是用MOSFET來設計的。

由于MOSFET沒有少數載流子存在，極間電容極小，開關速度快，所以它適用于大功率驅動。

MOSFET的主要參數如下：

（1）漏源反向擊穿電壓V（BR）DS

漏源反向擊穿電壓就是PN結上的反偏電壓，該電壓決定了器件的最高工作電壓，在MOS結構中，它用于衡量漏極PN結的雪崩擊穿能力。柵極電壓高低對漏溝道區反向偏置耗盡型電場的分布電荷有決定作用。V（BR）DS是隨著溫度變化而變化的，在一定溫度范圍內，PN結溫度每升高10℃，V（BR）DS值將增加1%。所以結溫上升，MOSFET的耐壓上升，這是該管最大優點，而雙極型晶體管則是相反。

（2）最大漏極電流I_Dmax

在MOSFET工作曲線上，當工作電流輸出達到最大值，輸出特性曲線進入飽和區，這時漏極電流最大值為I_Dmax。漏極電流越大，MOSFET溝道越寬。

（3）導通電阻R_ON

導通電阻是MOSFET的一個重要參數。決定R_ON有兩個主要因素：一個是溝道電阻r_c，另一個是漂移電阻r_d。改變PN結的結構和幾何尺寸，可以改變溝道電阻r_c和漂移電阻r_d。

導通電阻R_ON是決定開關電源輸出損耗和MOSFET功耗的主要因素，R_ON小、V（BR）DS高的MOSFET就是優質MOSFET。R_ON與溫度呈線性關系，受溫度影響也大，制作的開關電源的效率低。

（4）跨導g_m

跨導是指MOSFET的漏極輸出電流變化量ΔI_D與柵源極間電壓的變化量ΔV_GS之比：g_m=ΔI_D/ΔV_GS

跨導g_m這一參數是對MOSFET漏極控制電流的控制能力的重要量度，g_m越大，MOS_- FET性能越好。

（5）開通時間t_on和關斷時間t_off

我們知道，場效應晶體管是依靠多數載流子傳導電流的，影響開關速度的主要因素是器件的輸入電阻R_in和輸入電容C_in，這兩個參數是影響器件開關速度的主要因素，為了提高開關速度，必須盡最大努力減小MOSFET的各種極間電容，一般VMOS器件的開關速度比場效應晶體管和雙極型晶體管要高很多。

（6）最高工作頻率f_max

場效應晶體管工作頻率越高，開關電源輸出電壓越高，效率越高。為了提高器件的工作頻率，一般器件采用高散射極限速度和高遷移率的材料制造，這樣可以提高跨導g_m，降低極間電容，這為提高器件工作頻率創造了條件。

2.MOSFET驅動電路及要求

降低開關電源的損耗和實現真正完整的信號傳遞，驅動電路在這里起關鍵作用，場效應晶體管采用驅動方式有：

（1）直接驅動

圖1-20所示用晶體管驅動MOSFET。為了使驅動電路獲得較大的增益和工作在較寬的頻帶，減少晶體管VT₁、VT₂在開關狀態下的上升和下降時間，該電路的特點是對場效應晶體管VT₃的柵極電容C₁充電，這樣產生密勒效應向VT₃提供足夠大的開通和關斷的電流，使場效應晶體管不產生誤動作。

（2）變壓器驅動

利用變壓器驅動是電子電路最常見的一種驅動方式，對開關電源電路，常用在推挽式和橋式電路。圖1-21是利用變壓器耦合驅動混合式電路，R₁、R₃是晶體管VT₁集電極電流和場效應晶體管VT₃漏極電流的限流電阻并具有抑制振蕩、加速晶體管開關的作用。由于變壓器TR的極性關系，場效應晶體管VT₃處于反向工作狀態，即VT₃截止時，VT₁導通。圖中VT₁、VT₂組成射極跟隨器。R₂、R₄是VT₃柵極電位鉗制電阻，可防止寄生振蕩，并產生電壓負反饋。另外，MOSFET在開關電路中得到廣泛應用，是因為它的工作頻率比較高。但是這樣的結果，容易產生寄生振蕩，在設計制作開關電源時必須注意：第一，減少MOSFET各接點連接線的長度。第二，由于MOSFET的輸入阻抗高，防止電路出現正反饋而引起振蕩。開關電路對場效應晶體管的控制實質是對輸入電容C_in的充、放電控制，所以驅動電路無需不間斷地提供電流，因此要求電源輸出內阻要小。第三，MOSFET的柵源極的耐壓是有限的，如果輸入電壓超過了額定值，就會擊穿，所以要求輸入電壓在20～30V之間。

圖1-20 晶體管直接驅動MOSFET

圖1-21 變壓器耦合驅動MOSFET

3.絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的特點及主要參數

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一種電流控制器件。為了提高IGBT工作頻率，設計電路時，工作在準飽和狀態，所謂準飽和狀態是指工作點在深飽和與放大區之間一個區域。若準飽和區工作電流增益開始下降，但電路依然是源極處于正偏置，漏極處于反偏置，這樣開關速度大大提高。

IGBT是一種大電流密度、電壓激勵場效應控制器件，是美國GE公司于20世紀90年代中期推出的耐高壓、大電流模塊化可控的第三代產品。它最高耐壓可達1800V、電流容量達450A、關斷時間低于0.2μs，在電力、通信領域得到廣泛應用。

其主要性能如下：

1）電流密度大，是MOSFET的幾十倍。

2）輸入阻抗高，柵極驅動電流小，驅動電路簡單。不需外加限流，防自激振蕩，自觸發。

3）擊穿電壓高，安全工作區大，能防止和抑制瞬態干擾時出現的大電流沖擊。

4）導通電阻低。在相等的芯片尺寸和相同V（BR）DS的條件下，IGBT的導通電阻R_DS（on）只有MOSFET的10%。

5）開關速度快，關斷時間短，損耗低。1kV IGBT，它的關斷時間只有1μs，一般關斷時間只有0.2μs，開關頻率為100kHz時，IGBT的功率損耗只有MOSFET的30%。

IGBT是在MOSFET的PN結層面上再焊接一層PN結，結的層數加多，而且傳導面積加大，使P區向N區發射的載流子增多，而且載流子在緩沖區停留的時間縮短，這就是它的電流密度大、擊穿電壓高、導通電阻低的原因。IGBT與一般晶體管的伏安特性曲線一樣，有飽和區、阻斷區（截止區）、有源區（放大區），如圖1-22所示，同樣與晶體管的開關波形相似，如圖1-25b所示，MOSFET與IGBT的特性比較如表1-1所示。

圖1-22 IGBT伏安特性曲線

表1-1 MOSFET與IGBT的特性比較

圖1-23 直接驅動IGBT電路

4.IGBT驅動電路

IGBT驅動方式有隔離式和直接式兩種。直接式是驅動電路直接與主電源電路連接。圖1-23所示的VT₂、VT₃組成推挽式前置放大器，R₈、C₂組成微分電路，加速IGBT（VT₄）的關斷和導通，提高開關速度，降低驅動損耗。圖1-24所示為浮動開關晶體管隔離式驅動電路。它的工作過程是這樣的：當變壓器TR的二次側出現正脈沖電壓V_g時，這時柵極驅動電流I_g1流進驅動IGBT（VT₂）的柵極，使之導通，電阻R₁將流入IGBT的電流限制在額定范圍內，集電極電流I_d迅速地給電容C₂充電，充電電壓為

V_c=V_g-V_ge-V_d

式中，V_g是變壓器二次電壓，也稱驅動電壓；V_ge為IGBT的柵極-發射極的飽和電壓；V_d是二極管的正向偏置電壓，一般為0.7V。

如果變壓器的二次電壓為零時，則電容器C₂使VT₂的柵極經電阻R₁、L₂處于正向偏壓，使VT₂導通，這時把VT₁的柵極接到負電位，因而柵極電流I_g2得到提高，如圖1-24所示。I_g2電流的大小由電容容抗和電路阻抗及IGBT（VT₁、VT₂）的特性來決定。凡是IGBT電路，不管哪種驅動方式，柵極的驅動電流波形極為重要，什么波形為最好呢？好的柵極觸發波形，不但是保護好IGBT，使之延長管子的使用壽命，更重要的降低電路電能損耗，提高電源效率。

IGBT輸入柵極的脈沖信號，希望是矩形波，跟晶體管基極輸入波形一樣并且要求上升沿豎直，下降沿陡峭，要求儲存時間t_s越短越好。

5.晶體管的開關時間與損耗

晶體管的開關作用與晶體管的放大作用是不同的。放大只是對電流或電壓的作用，在共發射極電路中，輸出波形與輸入波形之間有180°的相位差；而對于晶體管的開關作用，雖然輸出與輸入波形之間有180°的相位差，但它的波形不是一個正弦波或三角形，而是一個被時間拖延了的矩形波。為了表述它的波形特征，引入了4個時間參數。圖1-25所示就是4個時間參數的開關波形。

圖1-24 隔離式阻容驅動IGBT電路

圖1-25 晶體管的基本開關電路及開關波形

1）延遲時間t_d：從輸入信號V_in開始變正起到集電極電流I_C上升到最大值I_CM的10%所需要的時間。

2）上升時間t_r：集電極電流I_C從10%I_CM上升到90%I_CM所需的時間。

3）存儲時間t_s：從輸入信號V_in開始變負起到集電極電流I_C下降到90%I_CM所需要的時間。

4）下降時間t_f：集電極電流I_C從90%I_CM下降到10%I_CM所需要的時間。

根據實際，晶體管有兩個時間參數，即開啟時間和關斷時間。開啟時間為t_on=t_d+t_r，關斷時間為t_off=t_s+t_f。在晶體管的4個時間參數中，儲存時間最長，它最決定開關速度的主要因素。

晶體管作為開關應用時，在每一個周期內，晶體管工作在3個不同區域，即放大區、飽和區和截止區。因此，晶體管的功率損耗也由3部分構成：

1）通態損耗。當晶體管飽和導通時，雖然有較大的集電極電流I_CES流過管子，但這時晶體管的飽和壓降V_CES很小（硅管為0.3V，鍺管為0.7V），管子的功率損耗（I_CESV_CES）很小，變化余地不大。

2）斷態損耗。當晶體管截止時，雖然V_CE很大，但管子的漏電流I_CEO很小（nA級），此時管子的損耗（V_CEI_CEO）也是非常小的。

3）開關損耗。晶體管由飽和轉為截止，或由截止轉為飽和時的損耗稱為開關損耗。通常，這種損耗也稱為渡越損耗。在開啟和關閉這兩段時間內，晶體管的壓降和電流都很大，因此，管耗也較大。對于高頻開關電源來說，開關管的渡越損耗占晶體管整個損耗的80%，而且與電路中的參數選擇有很大的關系。在開關電源電路中，選用晶體管的依據是型號、集電極-發射極的擊穿電壓V（BR）CEO、電流增益h_FE、存儲時間t_s、下降時間t_f、集電極電流I_C等參數。不同功率的開關電源所用晶體管如表1-2所示。

表1-2 不同功率的開關電源所用晶體管（包括MOSFET）

①PFC為功率因數校正。

1.3.2 軟磁鐵氧體磁心的特性與選用

軟磁鐵氧體材料常用在高頻變壓器、電感、脈沖變壓器以及PFC升壓電感等中，在開關電源中是一種非常重要的元件。但是，我們不能十分有把握地掌握磁性材料的特性，以及這種特性與溫度、頻率、氣隙等的依賴性和不易測量性。在選擇鐵氧體時，它不像電子元器件那樣可以測量，它的具體的參數、特性曲線在顯示測量儀器上也不是一目了然。為什么高頻變壓器、電感器要自己設計呢？因為所涉及的參數太多，例如電壓、電流、溫度、頻率、電感量、變比、漏感、磁性材料參數、銅損、鐵損、交流磁場強度、交流磁感應強度、真空磁導率、矯頑力等十幾種參量。鐵氧體受到的影響因素多，元器件選用以及電路板上元器件的布置和走線的方式等對此都有影響。對于鐵氧體磁心的顏色、繞組的屏蔽是否合適，散熱處理是否得當……設計工程師不可能完全無誤地為用戶生產出好產品。

總之，即使生產商有現貨供應，而且也介紹了磁性元件的特性、參數及使用條件等，用戶也無法挑選磁性材料。因此，最好的辦法是委托設計加工。在設計高頻變壓器時，必須正確選擇磁心材料的特性、形狀以及外形尺寸，若選用不當，就會增加損耗、降低效率，嚴重時輸出功率達不到設計要求，甚至不能工作。

1.磁性元件在開關電源中的作用

磁性元件在電源變換中是必需的器件，廣泛用于高頻振蕩變壓器、低通濾波電感、電源輸出平波電抗器，還有有源功率因數校正升壓電感，所有這些作用功能，對變換器的性能質量起著至關重要的作用。當磁心用于變壓器時，它起的作用如下：

1）電磁耦合。傳遞電能，有了磁心，電能傳輸暢通。

2）實施電氣隔離。變壓器的一次電壓和二次電壓是不同電位的電壓，有了它，保證變壓器在變換電路中的安全，起著高低電壓隔離的目的。

3）按使用需要，改變變壓器電壓比，達到電壓升降。

4）由于磁性元件作用，變壓器二次大電流整流經過移相，使二次電流輸出紋波電壓減少。抑制尖峰電壓，保護開關管免受沖擊電流而損壞，所以常說，磁性變壓器有限流作用。

5）開關電源的電子開關，通過充電放電向變壓器二次側不停地傳輸電能，在這過程中是由于它具有儲能，才能釋能，儲能的大小與磁性元件的飽和磁感應強度以及初始磁導率成正比。另外，由于變壓器的一次和二次側存在電感，很方便地與電路電容構成諧振，諧振波一方面傳遞電能，改變電流或電壓的方向，向負載輸出，另一方面也改變電壓的等級。所有這些，都是磁性元件在變換過程中所起的作用。但是磁性元件的工況性能是不易完全掌握的，它不像其他電子元器件那樣容易測量選擇，繁瑣的技術數據，分散性、易變性很大的參數，將使制造商挑選者無從下手。因此，只能通過生產實驗、科學設計，才能發揮磁性元件最大作用功能。

2.磁性材料的基本特征

開關電源變壓器磁心都是運行在低磁場、高頻率環境條件下的軟磁鐵氧體材料，這種磁性材料具有矯頑力低、電阻率高和磁導率高的基本特點。這就意味著，流過變壓器繞組的勵磁電流會產生較高的磁感應強度，因此，在一定輸出功率條件下，可以極大地降低磁心的體積。矯頑力低，磁心的磁滯回環面積就小，這樣鐵損低。同樣，電阻率高、渦流小，鐵損也低。但磁性材料的電阻率高，適合用在頻率高的航空航天領域里。

1）磁場強度H與磁感應強度B。磁場強度是表示磁場強弱與方向的一個物理量，其單位為安/米（A/m）。磁感應強度是表示磁場作用于磁性物質上的作用力的大小，其單位為特斯拉（T）。溫度越高，磁感應強度越低。

2）飽和磁感應強度B_s。磁心在磁場的作用下，當磁場強度H增加時，磁心出現飽和時的B值，稱為飽和磁感應強度B_s。

3）初始磁導率_μi。磁性材料在磁化曲線上的始端磁化率的最大值，即

式中，μ_o表示磁性材料的真空磁導率（μ_o=4π×10^-7H/m）。

4）有效磁導率μ_e。磁心在閉合磁路中（不計漏磁），磁心的導磁能力稱為有效磁導率。

即

式中，L為繞組的電感量(mH)：為磁路長度與磁心面積之比，是常數。磁導率最大值的800％與最大值的20%的連線跟磁導率等于1的直線的交點相對應的溫度稱為居里溫度。溫度越高，初始磁導率也越高，當超過130℃時，初始磁導率為零，如圖1-27a所示。

磁心在高頻作用下，會產生剩磁，剩磁是產生熱磁心的最大原因，熱磁是磁心鐵損發源地。該磁心這時的工作磁感應強度應為

推導出

式中，f為磁心的工作頻率（kHz）；A_e為磁心有效截面積（mm²）；V_s為繞組兩端電壓（V）；N為繞組匝數。

圖1-26 居里溫度T_c的定義圖

圖1-27 磁性材料的特性

6）矯頑力H_c。磁心從飽和狀態除去磁場后繼續反向磁化，直到磁感應強度減小到零，此時的磁場強度稱為矯頑力（保磁力）。

7）磁通Φ。磁感應強度與垂直于磁場方向的面積的乘積叫磁通，Φ=BS。

8）磁感應強度B_s。單位面積上所通過磁通的大小叫做磁感應強度（也稱為磁通密度），單位為特斯拉（T）。

飽和磁性材料具有良好的開關特性，如用在高頻振蕩電路里，可以產生優良的振蕩波形，這種磁性材料具有近似矩形的磁滯回線（見圖1-27b）。這種磁滯回線有明顯的飽和點和飽和段，而且它的上下有良好的對稱性。近似矩形的磁滯回線在執行脈沖電信號傳遞時，可使繞組中的電流脈沖波形的前沿陡峭，后沿拖尾短小，能完整地傳遞各種波形電信號。如果磁心的S矩形曲線在B方向向下被壓扁或是向上被拉伸，這種形變曲線的磁心用在開關電源高頻變壓器上或是用在電子鎮流器的脈沖變壓器上，將會嚴重影響變壓器的振蕩波形，產生信號失真、頻率失調、導致開關晶體振蕩管溫度上升，變壓器的鐵損和銅損加劇，這對于開關電源的質量極為不利。

矩形磁滯回線是飽和磁性材料一種特殊的曲線。磁滯回線的形狀非常重要，在選用磁心時，將被看作一項重要選用磁心的依據，只有用高頻鐵氧體磁心特性曲線測試儀方可測出。

3.磁心的結構及選用原則

磁心的結構種類繁多、形狀各異。鐵氧體磁心是開關電源用得比較多的一種材料。圖1-28是鐵氧體磁心的結構形狀。下面對一些主要磁心結構加以說明。

圖1-28 鐵氧體磁心的結構形狀

1）POT是罐形磁心，銅線繞在變壓器磁心內，外面由磁鐵包圍。它的最大優點是導磁感應好，傳遞電能佳，可大量降低電磁干擾（EMI）；缺點是散熱效果極差，溫升很高。這種磁心只能用在小功率開關電源上。

2）PM磁心，也叫R形磁心，它結構緊湊、體積小，但電能耦合不是很好，散熱性能也不很好，適合用在小功率電源充電器上。

3）RM磁心和X磁心，磁耦合能力和散熱性能都比較好，適合用在150W以上的大中功率開關電源上。其缺點是所占空間大，放置比較困難。

4）EC磁心是開關電源常用的一種磁心，磁心的截面積大，散熱效果好，常用在150～200W的開關電源上。其缺點是窗口面積比較小，對變壓器的匝數要有限制。

5）EE磁心是一種最常用普通的磁心，對于中小功率變壓器來說很適合，磁心截面積的大小在很大程度上決定開關電源的功率。磁心的截面積與輸出功率成正比例，磁心截面積越大，輸出功率也越大。表1-3是輸入功率與EE磁心尺寸對照表，僅供選用時參考。

表1-3 輸入功率與EE磁心尺寸的關系

變壓器磁心大小取決于輸入功率、變壓器溫升以及工作頻率、磁心材料等參量，現將計算公式推出如下：

式中，K為振蕩波系數，一般為0.12～0.16；f為工作頻率（kHz）；n_P為變壓器一次繞組匝數（匝）；I_o為輸出電流（A）；A_e為磁心窗口截面積（mm²）；B為磁心的磁感應強度（T），B=2000～3500T。

式中的B是由軟磁鐵生產廠商給出的，其余由設計工程師根據實際和工作經驗給出的。高的電感量可以得到大的輸出功率、較小的變壓器體積。低鐵損、銅損，大大降低溫升。對于反激式開關電源的變壓器，要考慮變壓器繞組儲存電能能力。其儲存電能能力的大小決定于鐵氧體磁心材料的磁感應強度B_m或變壓器一次電感量L_P，另一個因數是磁場強度或工作電流。儲存電能的計算公式是W_D=L_PI²/2。

選用磁性材料時，要選用飽和的磁性材料。這種材料具有良好的開關特性，可以產生優良的振蕩波形，還要求磁心具有近似矩形的磁滯回線，如圖1-27b所示。磁性材料的磁滯回線有明顯的飽和點和飽和段，而且有良好的對稱性。近似矩形的磁滯回線可使繞組中的電流波形前后沿陡峭，能很好地傳遞各種波形電信號。如果磁心的S矩形曲線在B方向上向下被壓扁，將會嚴重影響變壓器的振蕩波形，導致開關晶體管溫升加劇。

磁性材料的使用一定要在一定的居里溫度以內，這是首先要考慮的問題，其次是注意磁心的結構、脆度、硬度、穩定性、磁導率及磁感應強度。在設計時，對工作頻率和噪聲干擾應十分注意。在強磁場強度的作用下，磁性材料會收縮或膨脹，很可能會出現磁共振，所以磁心變壓器裝在印制電路板上時，要注意切實黏接牢固，防止出現機械噪聲和電磁噪聲。歸納起來如下：

1）選用較低的矯頑力（保磁性）。這是因為矯頑力低，磁滯回環面積小，鐵損低。

2）選用較高的電阻率。在一定的工作頻率下，磁性材料的渦流損耗與電阻率成反比。為降低磁性元件的損耗，選用磁性材料電阻率在100～800Ω·cm之間。

3）居里溫度應足夠高。如果磁心材料的居里溫度偏低，必然使磁心的溫升接近居里溫度，這樣促使初始磁導率μ_i太低，飽和磁感應強度B_s和電感值急劇下降，使電源的功率開關管溫度急劇上升，破壞振蕩頻率，以致電源無法正常工作。為確保開關電源內部溫度遠低于磁心的居里溫度，宜選用居里溫度T_e＞180℃的磁心元件。

4）適中的初始磁導率μ_i。初始磁導率的選取，必須滿足居里溫度的要求。一般來說，磁導率在4000H/m以上的材料和磁導率低于3000H/m的材料的居里溫度一般可達180℃以上。因此，選用μ_i為2000～3000H/m的磁心用作電源變壓器和濾波用的電感元件是比較合適的。當然，磁性材料的初始磁導率適當高一些，可以減少變壓器繞組的匝數，從而有利于減小分布電容和漏感，達到改善驅動波形。

5）合適的溫度系數。有些磁性材料溫度在80℃時，呈現負值，即溫度升高，鐵損反而降低，這種材料對大功率開關電源是非常好的。一般開關推動管的電流增益h_FE隨溫度升高而增大，若選用具有負溫度系數的磁性材料，則抵消了晶體管的h_FE的正溫度系數，使開關管工作點保持穩定。

6）恰當的磁感應強度。磁感應強度選高了，將使變壓器很快進入飽和，導致變壓器溫度快速升高而發生燒毀；磁感應強度選低了，使變壓器缺少足夠的驅動功能，輸出功率達不到設計要求。合適的磁感應強度一般在B_s=0.046～0.055T。

1.3.3 光耦合器的特性與選用

光耦合器（Optical Coupler，OC）也叫光隔離器（Optical Isolation，OI），簡稱為光耦。它是一種以紅外光進行信號傳遞的器件，由兩部分組成：一部分是發光體，實際上是一只發光二極管，受輸入電流的控制，發出不同強度的紅外光；另一部分是受光器，受光器接收光照以后，產生光電流，并從輸出端輸出。它的光-電反應也是隨著光的強弱改變而變化的。這就實現了“電—光—電”功能轉換，也就是隔離信號傳遞。光耦合器的主要優點是單向信號傳輸，輸入端和輸出端完全實現了隔離，不受其他任何電氣干擾和電磁干擾，具有很強的抗干擾能力。因為它是一種發光體，而且用低電平的電源供電，所以它的使用壽命長，傳輸效率高，而且體積小，可廣泛用于級間耦合、信號傳輸、電氣隔離、電路開關以及電平轉換等。在儀器儀表、通信設備及各種電路接口中都應用到了光耦合器。在開關電源電路中，利用光耦合器構成反饋回路，通過光耦合器來調整、控制輸出電壓，達到穩定輸出電壓的目的；通過光耦合器進行脈沖轉換。

1.光耦合器的分類

光耦合器有多種，根據不同的用途，可選用不同類型的光耦合器。光耦合器有雙排直插式、管式、光導纖維式等多種封裝，其型號有無基極引線通用型、有基極引線通用型、達林頓型、光電集成電路型、光控晶閘管型等，如圖1-29所示。

2.光耦合器的主要參數

光耦合器的主要參數有電流傳輸比CTR（＞100%）、絕緣電壓V_DC（＞1550V）、最大正向電流I_FM（＞60mA）、反向擊穿電壓V（BR）CEO（>30V）、飽和壓降V_CES（＜0.3V）、暗電流I_R（=50μA）。在這些參數里，前兩個參數比較重要，設計電路時也要考慮I_FM和V_CES。

3.光耦合器的檢測

根據光耦合器的結構和內部電路，可用萬用表的R×1k擋測量發光二極管的正、反向電阻，其中正向電阻為2kΩ左右，反向電阻為無窮大；接收晶體管CE極的電阻為無窮大。絕緣電阻可用2500V的ZC11-5型絕緣電阻表進行測量，若測得的絕緣電阻大于10¹⁰Ω，證明質量很好。

圖1-29 光耦合器的類型及內部結構

NEC-2501的引腳排列如圖1-30所示。靠近黑圓點的為第一腳，它是發光二極管的正極，然后按反時針數各個腳位。電流傳輸比CTR是光耦合器的重要參數，在接收管的輸出保持不變時，它的輸出電流I_o與輸入電流I_i之比就是傳輸比，CTR=I_o/I_i×100%。如PC817的傳輸比為80%～160%，4N30為100%～5000%。可見，4N30只需要較小的輸入電流，就可以變換輸出為較大的電流，具有放大作用，因此選擇合適的電壓或電流傳輸信號而且呈線性關系是很重要的。

4.選取原則

圖1-30 NEC-2501光耦合器

正確選用光耦合器的型號及參數的原則如下：

1）電流傳輸比CTR的允許選取范圍是100%～200%。當CTR為80%時，光耦合器中的發光二極管需要較大的工作電流（＞5.0mA）才能控制電路的占空比。這樣做的結果是增加了光耦合器的功耗。當CTR＞250%時，若啟動電流或輸出負載發生突變，有可能發生誤觸發，即誤關斷，影響正常工作。

2）要采用線性良好的光耦合器。因為光耦合器具有良好的線性時，電源控制調整十分有序，輸出穩定可靠。常用線性光耦合器的型號及主要參數見表1-4。

表1-4 線性光耦合器的型號及主要參數

1.3.4 二極管的特性與選用

二極管在電子電路中用得較多，功能各異。從結構上來分，有點接觸型和面接觸型二極管。面接觸型二極管的工作電流比較大，發熱比較厲害，它的最高工作溫度不允許超過100℃。按照功能來分，有快速恢復及超快速恢復二極管、整流二極管、穩壓二極管及開關二極管等。下面談談各種二極管的特點及檢測方法。

1.開關二極管

開關二極管用在高速運行的電子電路中，起信號傳輸作用，在模擬電路中起鉗位抑制作用。高速開關硅二極管是高頻開關電源中的一個主要器件，這種二極管具有良好的高頻開關特性。它的反向恢復時間t_rr只有幾納秒，而且體積小、價格低。在開關電源的過電壓保護、反饋控制系統中常用到硅二極管，如1N4148、1N4448。

硅二極管的主要技術指標如下：

1）最高反向工作電壓V_RM和反向擊穿電壓V_BR：這兩個參數越大越好。

2）最大管壓降V_FM：小于0.8V。

3）最大工作電流I_d：大于150mA。

4）反向恢復時間t_rr：小于50ns。

2.穩壓二極管

穩壓二極管又叫齊納二極管（Zener Diode），具有單向導電性。它工作在電壓反向擊穿狀態。當反向電壓達到并超過穩定電壓時，反向電流突然增大，而二極管兩端的電壓恒定，這就叫做穩壓。它在電子電路中用作過電壓保護、電平轉換，也可用來提供基準電壓。

穩壓二極管分為低壓和高壓兩種。穩壓值低于40V的叫做低壓穩壓二極管；高于200V的叫做高壓穩壓二極管。現在市面上2.4～200V各種型號規格齊全。穩壓二極管的直徑一般只有2mm，長度為4mm。它的穩壓性能好、體積小、價格便宜。穩壓二極管從材料上分為N型和P型兩種。選用穩壓二極管的原則是：第一，注意穩定電壓的標稱值；第二，注意電壓溫度系數。

穩壓二極管具有如下作用：第一，對漏極和源極進行鉗位保護，如圖1-31a所示；第二，起到加速開關管導通的作用，如圖1-31b所示；第三，在開關電源中常用高壓穩壓二極管代替瞬態電壓抑制器（TVS）對一次回路中產生的尖鋒電壓進行鉗位；第四，在晶體管反饋回路中，常常在晶體管的發射極串聯一只穩壓二極管作為電壓負反饋，提高放大電路的穩定性。

圖1-31 穩壓二極管的作用

穩壓二極管的主要參數如下：

1）穩定電壓V_Z。設計人員根據需要選用。

2）穩定電流I_Z。

3）溫度系數α_t。溫度越高，穩壓誤差越大。

表1-5列出了常用穩壓二極管的型號及主要參數。

表1-5 穩壓二極管的型號及主要參數

3.快速恢復及超快速恢復二極管

快速恢復二極管（Fast Recovery Diode，FRD）和超快速恢復二極管（Superfast Recovery Diode，SRD）是很多電子設備中常用的器件，在開關電源中也經常用到。這兩種二極管具有開關特性好、耐壓高、正向電流大、體積小等優點，常用在電子鎮流器、不間斷電源、變頻電源、高頻微波爐等設備的整流、續流、限流等電路中。

它的性能指標特點如下：

1）反向恢復時間t_rr：通過二極管的電流由零點正向轉反向后，再由反向轉換到規定值的時間。在圖1-32中，I_F是正向電流，I_RM為最大反向恢復電流，I_rr為反向恢復電流。規定I_rr=0.1I_RM，當t≤t_o時，正向電流I=I_F。當t＞t_o時，由于整流二極管的正向電壓突變為反向電壓，正向電流迅速減小。在t=t₁時，I=0，整流二極管上的反向電流I_R逐漸增大，在t=t₂時達到最大反向恢復電流I_RM。以后在正向電壓的作用下，反向電流逐漸減小，在t=t₃時達到規定值I_rr。從t₁到t₃的時間為反恢復時間。

圖1-32 超快速恢復二極管反向 恢復電流的波形

2）平均整流電流I_d：這是選用二極管的又一個主要指標。一般來說，選用管子的整流電流是設計輸出電流的3倍以上。

3）恢復和快速恢復二極管有3種結構，即單管、共陰極對管和共陽極對管。所謂共陰極、共陽極是指兩只二極管接法不同。

檢測方法及選用原則如下：

1）檢測方法：利用萬用表的電阻擋或數字萬用表的二極管檢測擋，能夠檢查二極管的單向導電性，并測出正向導通壓降；用絕緣電阻表能測出反向擊穿電壓。一般正向電阻為6Ω，反向電阻為無窮大，可從讀出的負載電壓計算出正向導通壓降。

2）選用原則：超快速恢復二極管在開關電源中可作為阻塞二極管和二次側輸出電壓的整流二極管。超快速恢復二極管的反向恢復時間在20～50ns之間；整流電流I_d為最大輸出電流I_OM的3倍以上，即I_d＞3I_OM；最高反向工作電壓V_RM為最大反向峰值電壓V（BR）S的2倍以上，即V_RM＞2V（BR）S。常用超快速恢復二極管的型號及主要參數見表1-6。

表1-6 常用超快速恢復二極管的型號及主要參數

（續）

4.肖特基二極管

肖特基二極管（Schottky Barrier Diode，SBD）是一種N型半導體器件，工作在低電壓、大電流狀態下，反向恢復時間極短，只有幾納秒，正向導通壓降為0.4V，而整流電流達數百安。它是最近在開關電源中應用得最多的一種器件。區分肖特基二極管和超快速恢復二極管的方法是兩者的正向壓降不同，肖特基二極管的正向壓降是0.4V，超快速恢復二極管的正向壓降是0.6V。值得注意的是：肖特基二極管的最高反向工作電壓一般不超過100V，它適合用在低電壓、大電流的開關電源中。表1-7給出了肖特基二極管的型號及主要參數。

表1-7 肖特基二極管的型號及主要參數

5.瞬態電壓抑制器

瞬態電壓抑制器（Transient Voltage Suppressor，TVS）是一種電壓保護器件。由于它在電路中的響應速度快、體積小、價格低，在開關電源和其他一些家用電器中得到了應用。瞬態電壓抑制器是一種用硅材料制成的器件，它跟硅整流二極管一樣都具有PN結；封裝形式有DO-41、A27K、A37K；在75℃溫度下額定脈沖功率為2W、5W、15W；在25℃溫度下承受的浪涌電流達到50A、80A、200A；最大功率可達60kW，承受瞬態高能電壓（如浪涌電壓、雷電干擾尖峰電壓）時，能迅速反向擊穿，由高阻態變為低阻態，把干擾脈沖鉗位到規定值，使設備不受外界條件影響，保護設備安全。

TVS有單向瞬態電壓抑制和雙向瞬態電壓抑制兩種。它的主要技術指標有：反向擊穿電壓V_B（這是選擇時首先考慮的參數）、脈沖電流I_P（如果選小了，TVS將會擊穿）、鉗位時間（越短，安全性越好，一般僅為1ns）。如果反向電壓達不到，可以用兩只或三只TVS串聯起來使用。表1-8給出了TVS的型號及主要參數。

表1-8 TVS的型號及主要參數

注：V_B為反向擊穿電壓；P_P為峰值功率；I_T為測試電流；V_R為反向漏電電壓；I_R為反向漏電電流；I_P為脈沖電流；α_t為溫度系數。

1.3.5 自動恢復開關的特性與選用

自動恢復開關（Resettable Switching，RS）又叫自動恢復熔絲，它是一種過電流保護器件。當電路發生短路或用電電流超過極限值時，它起保護作用。它具有開關特性好、使用安全、不需維護、可自動恢復、可反復使用等特點。自動恢復開關的類型及安裝方式如表1-9所示。

表1-9 自動恢復開關的類型及安裝方式

1.工作原理

自動恢復開關是由高分子晶狀聚合物和導電鏈構成的，它將聚合物緊密束縛在導電鏈上，在常態下它的電阻值非常低，只有0.2Ω，工作電流通過開關時功耗也很小，它所產生的熱量很少，不改變聚合物內部的晶狀結構。當電路電流超過最大設計值或發生短路故障時，電流增加，導電鏈產生的熱量使聚合物從晶體狀態變為非晶體狀態，原來被束縛的導電鏈自動分離斷裂，它的內阻迅速增加至數千歐，使電路進入開路狀態，立即將電路電流切斷，對電路起到保護作用。當故障排除以后，它又能很快恢復到低電阻狀態。這種可持續性的轉換器件能反復使用而不損壞。自動恢復開關可在家用電器、計算機、通信設備以及開關電源上用作過電流保護。通常，將自動恢復開關串接在低壓直流輸出端，此時交流輸入端的熔斷器可省去。這里應特別注意：自動恢復開關只能進行低壓過電流保護，而不能接在220V或110V交流電壓上，否則將使開關燒壞。熒光燈斷路或漏氣時，鎮流器的工作電流是正常工作電流的3倍以上，這時只要在鎮流器的輸出端與燈之間的電路中串聯一只自動恢復開關，就能非常有效地進行過電流保護，提高電子鎮流器的可靠性。

2.檢測方法和選用原則

（1）電阻檢查

用數字萬用表的電阻擋直接測量它的直流電阻，電阻值越小，自動恢復開關的容量越大。它的阻值范圍見表1-10。

表1-10 自動恢復開關的阻值

（2）過電流后自動恢復能力的檢查

在直流穩壓電源輸出端，將自動恢復開關與電流表串聯，要求穩壓電源的輸出電流必須大于自動恢復開關的電流容量I_H。穩壓電源的輸出電壓從零開始逐漸升高，這時注意電流表的電流讀數也在不斷增加。當穩壓電源的輸出電流接近或超過自動恢復開關的電流容量時，電流表上的電流讀數突然減小，此時自動恢復開關已進入高阻抗狀態。關斷電源后，穩壓電源的輸出電壓又從零點幾伏開始上升。觀察電流表，如果一段時間后電流表上的電流讀數升到一定值，這段時間就是自動恢復開關的自動恢復時間。自動恢復開關的選用原則如下：

1）根據設計電路的平均工作電流、工作電壓，依照表1-9選擇器件的類型和安裝方式。

2）將工作電流換算成器件的動作電流，見表1-11。

表1-11 不同環境溫度下的電流換算率

3）根據最高工作電壓V_max、最大電流I_max、最大功耗P_Dmax、最小電阻R_min、最大電阻R_max選擇合適的自動恢復開關。miniSMD產品的規格見表1-12。

表1-12 miniSMD產品的規格

如：某電子設備的工作電流為0.1A，電壓為3.3V，環境溫度T_A=40℃，選用miniSMD自動恢復開關。查表1-11可知，40℃時的換算率為87%，所以I_H=0.1/87%A≈0.115A，可選miniSMD020。由圖1-33可知，miniSMD020的短路電流達2A，其動作時間為0.2s。

1.3.6 熱敏電阻的特性與選用

熱敏電阻是由錳鈷鎳的氧化物燒結而成的半導體陶瓷制成的，具有負溫度系數，隨著溫度的升高，其電阻值降低。熱敏電阻的主要參數如下：

1）R_T0：零功率電阻值，表示室溫為25℃時的電阻值。

圖1-33 短路電流

2）α_T：零功率電阻溫度系數，表示零功率下溫度每變化1℃所引起電阻值的相對變化率（%/℃）。

3）δ：耗散系數，指熱敏電阻的溫度每變化1℃所消耗功率的相對變化量（mW/℃）。

熱敏電阻在開關電源中起過熱保護和軟啟動的作用。過熱保護時將熱敏電阻并接在輸入電路中。剛啟動時，溫度低，電阻值高，相當于開路。如果電路輸入電壓超高，熱敏電阻就會發熱，其電阻值降低，對輸入電流分流。當發熱超過極限值時，整流后的輸出電壓降低，開關電源高頻振蕩停振，或是由于熱敏電阻阻值降低后，將電路熔絲熔斷，電路與供電電源斷開，起到熱保護作用，如圖1-34所示。所謂軟啟動是指電源剛通電時，因濾波電容C的電壓不能突變，容抗趨于零，瞬時對電容充電的電流很大，容易損壞電解電容。為了解決這一問題，一般是在電路中串聯幾歐姆的電阻，在啟動瞬間對電流加以限制。但是，由于電阻功耗上升，電源效率下降。如果將電阻換為熱敏電阻，就可解決這一問題。電路剛通電時，熱敏電阻的溫度低，阻值很大，瞬時能對充電電流加以限制。隨著電流通過發出熱量，熱敏電阻的阻值迅速減小，啟動成功，功耗降低。這就是熱敏電阻限流軟啟動的作用。熱敏電阻的型號及主要參數見表1-13。

圖1-34 NTC軟啟動電路

表1-13 熱敏電阻的型號及主要參數

1.3.7 TL431精密穩壓源的特性與選用

TL431是由美國德州儀器（TI）公司和摩托羅拉（Motorola）公司聯合生產的，為2.50～36V可調式精密并聯穩壓源，廣泛用于開關電源、電子儀器和各種檢測儀表中。在電子電路中，TL431可以用來設計延時電路、電壓比較器、精密恒流源、大電流穩壓源等；在開關電源中，可構成外部誤差放大器，再與光耦合器組成隔離式反饋電路，使電源電壓穩定輸出。

1.TL431的性能特點

TL431共有以下幾種型號：TL431C、TL431AC、TL431I、TL431M、TL431Y。它們的內部結構一樣，只是技術指標有點差異，其特點如下：

1）動態阻抗低，典型值為0.2Ω；輸出噪聲低。

2）陰極工作電壓范圍是2.50～36V，極限值為37V；陰極工作電流I_AK=1～100mA，極限值為150mA；額定功率為1W，T_A＞25℃時，則按8.0mW/℃的規律遞減。

2.TL431的工作原理

TL431的基本電路接線如圖1-35所示。它相當于一只可調節的齊納穩壓二極管，輸出電壓由外部的R₁、R₂來設定，V_o=V_KA=（1+R₁/R₂）V_REF。R₃是限流電阻，V_REF是常態下的基準穩壓端（電壓V_REF為2.5V）。圖1-36所示是TL431的等效電路，它主要由誤差放大器A、外接電阻分壓器上所得到的取樣電壓、2.50V基準穩壓源V_REF、NPN型晶體管VT（用以調節負載電流）和保護二極管VD（防止A、K間極性接反，起保護作用）組成。TL431的工作原理是這樣的：當輸出電壓V_o上升時，取樣電壓V_sample也隨之上升，使取樣電壓大于基準電壓V_REF，致使晶體管VT導通，其集電極電位下降，即輸出電壓V_o下降。

圖1-35 TL431的基本電路接線

圖1-36 TL431的等效電路

3.TL431的應用

（1）TL431能實現可調的輸出電壓

如圖1-37所示，將L7805三端穩壓器接在TL431的陰極上，調節R₁來改變輸出電壓。輸出電壓的大小仍用上述公式計算，最低輸出電壓V_omin=V_REF+5V=2.5+5V=7.5V，最高輸出電壓是L7805的輸出電壓的最大值35V加上V_REF，所以V_omax=35V+2.5V=37.5V。

（2）可以制成輸出電壓為5V、電流為1.5A的精密穩壓源

如圖1-38所示，將TL431接在LM317三端穩壓器的調整端與地之間。LM317的靜態工作電流只有50μA，小于1mA，無法為TL431提供正常的陰極電流。在電路中加入R₃后，輸出電壓V_o經R₃向TL431的陰極提供電流I_KA，保證TL431正常工作。圖1-39所示是大電流并聯穩壓電路。

圖1-37 可調輸出電壓

圖1-38 大電流穩壓電路

圖1-39 大電流并聯穩壓電路

4.TL431的檢測方法

利用萬用表的電阻擋可以檢測TL431質量的好壞。從等效電路圖知道，TL431實際上是一只二極管，因此A、K之間呈現出單向導電的特性。選用R×1k擋，黑表筆接K極，紅表筆接A極，這時測量出的電阻為無窮大；調換表筆后測出的電阻為5kΩ左右。再用黑表筆接V_REF極，紅表筆接K極，這時顯示電阻為7.5kΩ，具體見表1-14。

表1-14 TL431的檢測方法

1.3.8 壓敏電阻的特性與選用

壓敏電阻是在某一特定的電壓范圍內，隨著電壓的增加，電流急劇增大的敏感元件。它常并聯在兩根交流電壓輸入線之間，置于熔絲之后的輸入回路中。壓敏電阻的種類很多，其中具有代表性的是氧化鋅壓敏電阻。用作交流電壓浪涌吸收器時，壓敏電阻具有正反向對稱的伏安特性，如圖1-40所示。在一定的電壓范圍內，其阻抗接近于開路狀態，只有很小的漏電流（微安級）通過，故功耗甚微。當電壓達到一定值后，通過壓敏電阻的電流陡然增大，而且不會引起電流上升速率的增加，也不會產生續流和放電延遲現象。壓敏電阻的瞬時功率比較大，但平均持續功率卻很小，所以不能長時間工作于導通狀態，否則有損壞的危險。

開關電源交流輸入電壓一旦因電網附近的電感性開關或雷電等原因而產生高壓尖峰脈沖干擾，或因錯相而引入380V的瞬變電壓，具有可變電阻作用的壓敏電阻就從高阻關斷狀態立即轉入低阻導通狀態，瞬間流過大電流，將高壓尖峰脈沖或市電過電壓吸收、削波和限幅，從而使輸入電壓達到安全值。當壓敏電阻中通過大電流時，往往還會熔斷熔絲，這就避免了對開關電源中的電子元器件造成致命的損壞。選用壓敏電阻時，要注意壓敏電壓和通流容量兩個參數的選取。壓敏電壓即標稱電壓，是指壓敏電阻在一定的溫度范圍內和規定電流（通常是1mA或0.1mA）下的電壓降。壓敏電阻的標稱電壓必須高于實際電路的電壓值。當輸入電壓為220V（有效值）時，壓敏電阻的壓敏電壓一般不小于220V×3≈380V，實際上選用400V。壓敏電阻的通流容量通常表示其承受浪涌的能力。為了不影響壓敏電阻的使用壽命，對通流容量的選取應留有充分的裕量。

壓敏電阻的外形與普通金屬膜電阻一樣。在常溫下測試時，它的阻值為幾百千歐，甚至為兆歐級。壓敏電阻損壞后，必須用相同規格的產品進行更換，千萬不可用普通電阻替換。

圖1-40 壓敏電阻的伏安特性曲線

1.3.9 電容器的特性與選用

1.陶瓷電容

（1）概述

陶瓷電容因為體積小、壽命長、使用頻率高等優點，在開關電源中應用比較多。陶瓷電容也叫瓷介電容，它的介質是一種天然物質陶瓷。陶瓷電容器有多種結構形式，其原理大體一樣，主要是根據陶瓷的理化性質嚴格控制陶瓷片的厚度、面積、光滑度和平整度，然后經過現代技術進行精細加工而成。陶瓷的種類很多，根據成分不同，可分為鈦康陶瓷、熱康陶瓷及鈦酸鋇陶瓷等，鈦康材料的介電常數較高，具有負溫度系數。熱康材料的介電常數較低，負溫度系數較小，電容的穩定性好。偏鈦酸鋇材料介電常數最高，溫度系數也很大，電容器的穩定性很差，一般高新電子產品不用這種電容。陶瓷電容在開關電源電路中常用來抑制共態噪聲，常接在電路與地之間，即Y電容，如圖1-41所示。

（2）陶瓷電容在電路中的作用

一般說，電容有隔直流信號，傳遞交流信號的作用，它對防止和濾除噪波、高頻電磁干擾和穩定電氣性能起著十分重要的作用，陶瓷電容在電子電路中起如下的作用：

1）平滑紋波電流。開關電源輸出電能，都是脈動直流，電流紋波較大，開關電路常采用大電容量的電解電容，隨著開關電源的高頻化與小型化，對電源輸出參數要求也越來越高，目前均已采用疊層陶瓷電容，這種電容器的內部采用鎳，經過碳膜化高溫處理使電容量、耐電壓等級及漏電流降低得到極大的改善。疊層陶瓷電容的容抗跟鋁電解電容相比非常小，在電路中用作平滑紋波的效果非常好，電容自身的發熱量很低，對輸出100～500kHz的紋波電流的平滑度有顯著提高。一般來說，鋁電解電容隨著使用時間的延長，它的電容量隨電解質干涸而減小，而陶瓷電容的電容量幾乎不隨時間變化。

2）旁路噪聲干擾。為了阻止噪聲由輸出回路進入負載或者低頻電磁波由輸入電路進入電源，一般在電路中接入陶瓷電容，用它來抑制正態噪聲和用于低通濾波。這種作用的電容稱為旁路電容，它配接在主電路的輸出電路中，其旁路效果比較好。這種電容的電容量一般為220～3300pF，耐壓范圍視電路作用而定，一般為500V～1.2kV。

3）濾除噪聲。開關電源的輸入回路常接有交流電路濾波器，它的作用是濾除外部噪聲的進入與內部噪聲的傳出，這種濾除噪聲的電容都用陶瓷電容。接在電源進線的電容，抑制噪聲的頻率較低，所需的電容量較大，耐壓為275V，稱它為X電容，如圖1-41所示。

（3）陶瓷電容的特點

1）結構簡單，加工生產工藝要求不高，原料豐富，價格便宜。

2）電容的絕緣性能強，絕緣電阻大，可制成耐壓很高的電容，能耐壓高達2kV。

圖1-41 電容在開關電源的位置

3）具有良好的耐熱性，有耐高溫的特點，可在高達500～600℃的條件下正常穩定工作。

4）溫度系數范圍很寬，可以生產出不同溫度系數的電容，以適用于不同的場合。

5）陶瓷電容還有耐酸、耐堿、耐鹽的特點，若受水的侵蝕，也能長期正常地工作，不易老化。

6）陶瓷材料的介電系數很大，一般從幾十皮法到數百皮法，有的介電系數高達幾千皮法，這使得瓷介電容器的體積可以做得很小，如果采用多疊層的方式，電容器的容量可擴展很大。

7）陶瓷電容的瓷介質材料不可以卷曲，電容器本身不帶電感性，這樣生產出來的陶瓷電容高頻特性較高，廣泛用于航天通信。

8）陶瓷電容的損耗角正切值與頻率的關系很小，損耗值不隨頻率的升高而上升。但是，它的機械強度低，容易破裂損壞。

2.薄膜電容

（1）概述

有機薄膜就是塑料薄膜，以有機介質材料制造的電容就是薄膜電容。

薄膜電容有十幾種，有聚苯乙烯電容、聚四氟乙烯電容、聚酯（滌綸）電容、聚丙烯電容等。聚苯乙烯電容器的種類很多，CB10型、CB11型為普通聚苯乙烯電容器，CB14型、CB15型為精密聚苯乙烯電容器。聚四氟乙烯電容器使用的材料價格昂貴，生產成本高，通常只在特殊場合選用這種電容器，例如高溫、高絕緣、高頻電路中使用。聚酯電容器就是滌綸電容，它性能穩定、體積小，常常被用在高級電子設備中。

（2）薄膜電容在電路中的作用

薄膜電容有很多優點，被廣泛用于開關電源電路中。

1）抑制正態噪聲。電源輸入回路的低頻噪聲波以及電磁雜波，是一種頻率低于5MHz的干擾信號，抑制這種信號的能力，就是電子設備電磁兼容性（EMC）指標的高低，要保證電子設備既不受周圍環境噪聲的影響，也不能對周圍設備產生干擾，圖1-41中的C₁、C₄以及C₂、C₃、L、C₅、C6將起著決定性作用，C₁、C₄與交流輸入線并接，抑制正態噪聲叫X電容，C₂、C₃、C₅、C6接在輸入線與地之間稱Y電容，也起著抑制正態噪聲的作用，這里的元件既可以用陶瓷電容，也可以用薄膜電容。抑制正態噪聲的Y電容的選用，要注意電容的額定值，其次是漏電流。

2）用作電路充放電。很多電子電路為了加速晶體管的導通和截止，一般在晶體管的基極串聯由電容、電阻組成的RC微分電路，C就是加速充電電容。用于晶閘管的高壓點火過程中，它將電容器的充電電能輸入到變壓器的一次側，經變壓器耦合升壓，使它的二次側獲得高壓，進行重復點火，如火箭發射起飛等，都是采用光放電原理。

3）抑制共模干擾。共模干擾和差模干擾是開關電源防止干擾常見的一種物理現象，這種干擾不但幅值高、能量大，而且對電源有破壞性的損害作用，只有聚四氟乙烯薄膜電容才能抑制這種干擾。圖1-41中的C₁₀就是為抑制這種干擾而設計的。

（3）薄膜電容的特性

1）耐壓范圍寬。薄膜電容一般耐壓范圍在30V～15kV內。普通聚苯乙烯電容的額定電壓為100V；高壓型聚苯乙烯電容的工作電壓可高達40kV，專供高壓電子設備使用。

2）絕緣電阻高。聚苯乙烯電容的容抗一般大于10¹¹Ω，所以它的漏電流很小，電容在充電后靜置1000h，仍能保持95%以上的電荷。而紙介質電容充電后靜置200h，充電電荷量幾乎全部放完。所以聚苯乙烯電容廣泛用于航空航天、金屬冶煉及超低溫寒冷環境。

3）電容器的損耗很小，通常tanδ=5×10^-4～12×10^-4，所以用在高頻電路或要求絕緣電阻很大的電子產品里。

4）電容的制造工藝簡單，用于制造電容的材料豐富，而且電容的容量范圍寬，一般可生產的容量為50pF～500μF。

5）制造出的電容精度很高，這是因為金屬膜聚苯乙烯的厚度、平整度和均勻度容易控制。電容器的誤差等級為±1%、±2%和±5%。特殊需要時，電容器的誤差可控制到±0.3%，甚至±0.1%。

6）聚苯乙烯電容的溫度系數極小，一般為-70×10^-6～200×10^-6（1/℃）。電容在電路中工作極為穩定，但是工作溫度不能超過100℃，否則電容的損耗加大。抗酸堿、耐腐蝕、耐潮濕也是聚苯乙烯電容的一大優點。當電容器兩片極板因電壓過高而將局部擊穿時，聚苯乙烯金屬膜層能使擊穿點的金屬層面恢復到擊穿點之外，從而達到自愈，能消除因擊穿造成的短路，保證了電路安全。

3.鋁電解電容

鋁電解電容也是由極板和絕緣介質組成的。它的絕緣介質一般是鋁酸溶液。鋁電解電容是在開關電源電路里使用比較多的一種元件，它的質量好壞也是整個電源質量好壞的關鍵。如果對它的功能特性、選用原則不十分了解，很難在電子設備中發揮它的作用，甚至可能起到相反的作用。設計工程師必須把握鋁電解電容的電氣參數與性能特點，才能正確地設計出高品質開關電源和其他電子產品。

（1）鋁電解電容的功能特性

鋁電解電容和其他電容一樣，也有傳遞電能、濾除交流的作用。常常由于溫度、濕度、工作電壓以及頻率的影響，使電容的壽命、效果發生質的變化，因此，提高鋁電解電容的質量、縮小體積是所有生產廠家主攻的難題。他們在生產工藝上采用了許多新技術，其中有擴大電極箔的蝕刻倍率、開發耐熱性能好的高電導率電解液；提高電解體隔膜的化學性能和熱穩定性；采用高氣密性、耐腐蝕、耐高溫的封口材料；對生產工藝和監測環節采用全程自動化跟蹤生產，以提高產品的質量。影響鋁電解電容器的是溫度和隨著時間而延長的電解液的導電性能，它們影響鋁電解電容的工作電壓和體積的蝕刻倍率，因此增大電解體的有效表面積，增大電極箔的單位面積，是增加電容靜電容量，提高電容極片的耐壓等級的主要手段。

鋁電解電容的電解液是通過高沸點溶液媒介和電離子離解度物質溶合并添加高溫穩定劑而成的。電解電容的封口襯墊用來控制電容里的電解質溶液揮發而設定，襯墊材料的選擇對電容的壽命至關重要。鋁電解電容的性能主要決定于電解液的性能、陽極箔蝕刻倍率以及封口材料等因素。

（2）鋁電解電容的電氣參數

1）額定工作電壓。鋁電解電容的額定（直流）工作電壓是衡量電容動態品質重要參數，如果電路施加在電容的最高峰電壓高于電容的額定電壓，電容器的漏電流將增大，傳遞電能的能力將下降，電氣特性將會破壞，嚴重超壓時，在很短的時間使電容爆裂損壞。

2）標稱靜電容量及允許偏差。開關電源整流濾波的電容量較大，而且是隨著輸出功率的變化而改變的，它是為減小整流后的電壓紋波而設立的，起著平波作用。在電容的額定電壓一定時，電容的容量越大，體積越大，價格也越高。如果濾波電解電容量太小，不僅對直流紋波電壓起不到濾波的作用，還會引起開關管的損壞，很可能會導致輸出波峰電流超過安全標準。開關電源對電解電容器容量偏差有嚴格的要求，一般允許偏差±10%，高級的電源為±5%。

3）使用溫度范圍。開關電源的溫升一般只能達到60℃，由于電源膠殼內部空間有限，元器件排列擁擠，散熱條件較差，當環境溫度超過35℃時，開關電源殼內溫升超過80℃，加上電解電容器自身的熱量，電容表面溫度會超過90℃，這對電解電容器的質量是一個很大考驗。從可靠性和安全性考慮，注意電容器所標明的溫度范圍。除此以外，還要注意電容器內部電解液受溫度影響，通過封口，從縫隙可看到漏逃逸的程度。還要求具有防爆裝置。

4）漏電流。漏電流是所有電容的一個重要技術指標，如果漏電流偏大，電容的容量將隨著時間的延長急劇減小，使壽命也越來越短，對整個電源的使用時間產生重大影響，鋁電解電容將漏電流視為生命電流，可見漏電流的大小非同一般。

5）損耗角正切值。電容的損耗角正切值是電容容抗的一種表述，電子電路有阻抗、容抗和感抗，統稱為電抗，損耗角正切是功率損耗一個參量。

6）耐高頻脈沖電流能力。任何一只電解電容，把它視為一個理想的電容器電抗與一只電阻串聯，當開關電源采用APFC電路時，要求APFC變換器輸出的濾波電容不僅能承受400V以上的直流高壓，而且還必須能通100kHz以上的脈沖電流，這種高頻脈沖電流在對電解電容進行充放電的過程中，將會產生大量的熱耗損失，并使電解電容溫度升高，這種溫升的高低，就是ESR技術指標，ESR越小，電容器耐高頻脈沖電流的能力越強。

7）高溫儲存特性。電解電容放在105℃的無負載的環境中，經過720h，再驟降至25℃，電容器的靜電容量的變化率在初始值±15%以內；額定電流等于初始規定值；電容的漏電電流不發生明顯的改變。

（3）鋁電解電容的選用

根據開關電源電路各個回路工作區域的不同，結合鋁電解電容的功能特性和技術參數，對鋁電解電容的選用作如下規定：

1）額定工作電壓的確定。對于交流輸入用于單個電容器直流濾波，則要求電解電容器的耐壓不低于最高輸入電壓的2倍。如果開關電源采用升壓式有源功率因數校正（APFC）輸出濾波電容器，要求電容器的耐壓不低于輸入電壓最大值的2.8倍。其他用于濾波的電容耐壓大于1.2倍的輸出電壓。

2）電容容量選擇計算。濾波用電解電容器的容量大一些，有利于減小直流電壓的紋波，對電源橋式整流輸出的脈動電壓有穩壓作用，使開關功率管在工作區域里，發揮最大的脈沖調制和功率驅動作用，其電容容量的大小與輸出功率有一定關系，對于5～10W的開關電源，用電解電容按1.47μF/W計算選用；對于10～50W的開關電源，按2.0μF/W的容量計算選用；對于50～100W的開關電源，按2.5μF/W的容量計算選用；對100～150W的開關電源，按3.0μF/W的容量計算選用。值得注意的是，有些開關源的功率因數和電源的諧波含量達不到技術指標，設計工程師不知所措，其原因就是電源濾波電容容量太小所致。電解電容靜電容的允許偏差一般選用±10%，要求高的開關電源可選用±5%。

3）電容器使用溫度的考慮。開關電源所有的元器件都處在比較高的溫度環境下工作，電解電容屬于高發熱元件，僅次于振蕩變壓器和開關功率管，如果電解電容的標稱溫度選用低了，不但是降低了開關電源技術指標，還使電源的使用壽命大大縮短，嚴重時將會產生爆炸。因此，從可靠性與安全性考慮，電解電容必須選用-25～105℃的高溫型鋁質電容。對直徑大于8mm的中高壓高溫型鋁電解電容，要求具有防爆結構或防爆裝置。

4）漏電流的估算與測試。如果電解電容的漏電流偏大，電容會發生早期失效，開關電源的輸出電壓偏低，波動加大，這是常見的現象。在選用時，對電容必須進行測試。如果沒有電容參數測試儀，可用普通萬用表R×1k電阻擋進行測量，指針偏離越大，接近“0”停留時間越長，說明電容越大，然后，緩慢回到“∞”位置，距離“∞”位置越近，則漏電流越小，相反漏電流越大。除此以外，還可對電解電容漏電流估算：當電容C=33μF時，其漏電流I_d≤0.02CV；當C≥49μF時，I_d≤3。C是電容容量，單位是μF，V的單位是V。

總之，選擇鋁電解電容器時要考慮電容的額定容量，其次是耐壓，再次是標稱溫度，最后是漏電流。

凡是能經受住各種試驗檢驗的鋁電解電容器，在實際應用中很少會損壞。鋁電解電容器在高頻電路中的選用類別見表1-15。

表1-15 適用于高頻電路的鋁電解電容器的類別