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，上電過程中電容器上沒有初始電壓，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。必須考慮上電過程的沖擊電流限制?？梢圆捎肁C/DC變換器上電電流限制方法，如串聯(lián)限流電阻，見圖2（a），則：

　　這種電路的最大特點(diǎn)是電路極其簡單，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)問題， 可以采用AC/DC變換器的方案，通過繼電器的觸點(diǎn)，上電后經(jīng)過一個(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)方案看起來似乎特別合理，但是對于低電壓輸入的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。

　　對于負(fù)載的上電過程，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 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相對很大，有 效地限制了負(fù)載上電過程的沖擊電流。

　　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6700mA的紋 波電流，而一個(gè)10V/47mF僅能流過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)，盡管容量僅為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允許的紋波電流值。

　　結(jié)語

　　通過上述分析，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)簡捷、高效、可靠。