第2章 开关电源中的电子元件

2.1 常用电子元件

2.1.1 电阻器

1.电阻器的种类

在电路中因电阻存在使电流流动遇到了阻力，具体表现就是电阻器消耗了电能。人们常把电阻器简称为电阻（以下简称为电阻），其阻值是一个物理量，单位是欧姆（Ω）。在电路实际应用中，由于接触不良而形成的接触电阻，其所起的作用往往是消极的。但在电路中利用电阻也可以实现许多特定的电路功能。

电阻作用

电阻在电路中主要的作用是：缓冲、负载、分压分流、保护等，电阻几乎是任何一个电路中不可缺少的一种器件。在电子电路中，为了控制电压和电流，需要用到电阻。电阻的种类很多，从结构形式来分，有固定电阻、可调电阻和电位器三种。在电路中，电阻的符号如图2-1所示。

① 碳膜电阻。碳膜电阻采用高温真空中分离出有机化合物的碳，并将碳膜紧密

附着于瓷棒表面形成电阻体，再加以适当的接头后切薄而成，并在其表面涂上环氧树脂密封保护。碳膜电阻是目前电子、电器、电信产品中使用量最大、价格最便宜、品质稳定性相对较高的固定电阻。合成碳膜电阻器或碳膜电阻（统称碳质电阻），适用于初始精度和随温度变化稳定性要求不高的普通电路。

碳质电阻的电阻值有一系列标准值，阻值范围为1Ω～22MΩ，允许偏差为2%～5%（碳膜电阻），甚至高达20%（合成碳膜电阻）。额定功率范围为1/8～2W，其中功率为1/4W和1/2W，允许偏差为5%和10%的电阻用得最多。

碳质电阻的温度系数很差（典型值为5000ppm/℃），所以当温度变化时要求阻值几乎不变的精密应用场合，不适合选用这种电阻，但它们的价格很便宜。碳膜电阻的优点是制作简单、成本低，碳膜电阻的缺点是稳定性差、噪声大、误差大。

② 金属膜电阻。用真空蒸发的方法将合金材料蒸镀于陶瓷棒骨架表面。金属膜电阻比碳膜电阻的精度高，稳定性好，噪声、温度系数小。

③ 金属氧化膜电阻。在绝缘棒上沉积一层金属氧化物。由于其本身即是氧化物，所以

书书书高温下稳定，耐热冲击，负载能力强。

④ 合成膜电阻。是将导电合成物悬浮液涂敷在基体上构成的，因此也叫漆膜电阻。由于其导电层呈现颗粒状结构，所以其噪声大、精度低，主要用它制造高压、高阻、小型电阻。

⑤ 金属玻璃铀电阻。将金属粉和玻璃铀粉混合，采用丝网印制法印在基板上。具有耐潮湿、耐高温、温度系数小等特点，主要应用于厚膜电路。

⑥ 贴片电阻SMT。片状电阻是金属玻璃铀电阻的一种形式，它的电阻体是高可靠的钌系列玻璃铀材料经过高温烧结而成的，电极采用银钯合金浆料。它体积小，精度高，稳定性好，由于为片状元件，所以高频性能好。

⑦绕线电阻、无感性绕线电阻。将电阻线绕在无性耐热瓷体上，表面涂以耐热、耐湿、无腐蚀的不燃性保护涂料构成线绕电阻。其特点是耐热性能优良，温度系数小，质轻，耐短时间过负载，低杂音，阻值长期使用变化小。无感性绕线电阻（NKNP），有着绕线电阻（KNP）的基本特性，并具有低电感量的优点。

线绕电阻非常精密并且稳定（0.05%，＜10ppm/℃），用于对电阻性能要求苛刻的应用场合，典型阻值范围为0.1Ω～1.2MΩ。

2.电阻的型号命名及主要参数

（1）电阻的型号命名

国产电阻的型号由四部分组成（不适用于敏感电阻）。

第一部分：主称，用字母表示，表示产品的名字。如R表示电阻，W表示电位器。

第二部分：材料，用字母表示，表示电阻体用什么材料组成。T——碳膜、H——合成碳膜、S——有机实心、N——无机实心、J——金属膜、Y——氮化膜、C——沉积膜、I——玻璃釉膜、X——线绕。

第三部分：分类，一般用数字表示，个别类型用字母表示，表示产品属于什么类型。1——普通、2——普通、3——超高频、4——高阻、5——高温、6——精密、7——精密、8——高压、9——特殊、G——高功率、T——可调。

第四部分：序号，用数字表示，表示同类产品中的不同品种，以区分产品的外形尺寸和性能指标等，如RT11型普通碳膜电阻。

（2）电阻的主要参数

① 标称阻值和允许误差。在电阻上标注的电阻数值叫做标称阻值，如1.5kΩ、5.1Ω……电阻的实际阻值允许有一定的误差，称为允许误差，分为Ⅰ级（±5%）、Ⅱ级（±10%）、Ⅲ级（±20%）。如电阻上标“3kΩⅠ”，则表示这个电阻的阻值是3kΩ，误差为±5%。

电阻的标称值和误差也可以用色环来表示。在电阻上印有四条色彩鲜艳的圆环，紧靠电阻左端的三条色环表示电阻值，最后一条色环表示允许误差。微调电阻和电位器的标称值是它的最大电阻值，如100kΩ电位器，表示它的阻值可在0～100kΩ内连续变化。

② 额定功率。指电阻正常工作时允许的最大功率，超过标称功率值，电阻将过分发热而烧毁。额定电压是由阻值和额定功率换算出的电压。

③ 最高工作电压：允许的最大连续工作电压，在低电压工作时，最高工作电压较低。

④ 温度系数：温度每变化1℃所引起的电阻值的相对变化。温度系数越小，电阻的稳定性越好。阻值随温度升高而增大的为正温度系数，反之为负温度系数。

⑤ 老化系数：电阻在额定功率长期负荷下，阻值相对变化的百分数，它是表示电阻寿命长短的参数。

⑥ 电压系数：在规定的电压范围内，电压每变化1V，电阻的相对变化量。

⑦ 噪声：产生于电阻中的一种不规则的电压起伏，包括热噪声和电流噪声两部分。热噪声是由于导体内部不规则的电子自由运动，使导体任意两点的电压不规则变化而产生的。

3.电阻阻值标示方法

① 直标法：用数字和单位符号在电阻表面标出阻值，其允许误差直接用百分数表示，若电阻上未注偏差，则均为±20%。

② 文字符号法：用阿拉伯数字和文字符号两者有规律的组合来表示标称阻值，其允许偏差也用文字符号表示。符号前面的数字表示整数阻值，后面的数字依次表示第一位小数阻值和第二位小数阻值。

表示允许误差的文字符号为：D允许偏差 ±0.5%；F允许偏差±1%；G允许偏差±2%；J允许偏差±5%；K允许偏差±10%；M允许偏差±20%。

③ 数码法：在电阻上用三位数码表示标称值的标志方法，数码从左到右，第一、二位为有效值，第三位为指数，即零的个数，单位为Ω。偏差通常采用文字符号表示。

④色标法：用不同颜色的带或点在电阻表面标出标称阻值和允许偏差。国外电阻大部分采用色标法，如图2-2所示，黑——0、棕——1、红——2、橙——3、黄——4、绿——5、蓝——6、紫——7、灰——8、白——9、金——± 5%、银——± 10%、无 色——±20%。当电阻为四环时，最后一环必为金色或银色，前两位为有效数字，第三位为乘方数，第四位为偏差；当电阻为五环时，最后一环与前面四环距离较大，前三位为有效数字，第四位为乘方数，第五位为偏差。

4.电位器

结构

电位器是一种机电元件，它靠电刷在电阻体上的滑动，取得与电刷位移成一定关系的电阻值。

常用电位器分类如下。

① 合成碳膜电位器。电阻体是用经过研磨的碳黑、石墨、石英等材料涂敷于基体表面而成的，工艺简单，是目前应用最广泛的电位器，特点是分辨力高，耐磨性好，寿命较长。缺点是电流噪声大，非线性大，耐潮性及阻值稳定性差。

② 有机实心电位器。有机实心电位器是一种新型电位器，它用加热塑压的方法，将有机电阻粉压在绝缘体的凹槽内。有机实心电位器与碳膜电位器相比具有耐热性好，功率大，可靠性高，耐磨性好的优点；但温度系数大，动噪声大，耐潮性能差，制造工艺复杂，阻值精度较差。在小型化、高可靠性、高耐磨性的电子设备以及交、直流电路中用于调节电压、电流。

③ 金属玻璃铀电位器。用丝网印制法按照一定图形，将金属玻璃铀电阻浆料涂敷在陶瓷基体上，经高温烧结而成。其特点是阻值范围宽，耐热性好，过载能力强，耐潮、耐磨等都很好，是很有前途的电位器品种；缺点是接触电阻和电流噪声大。

④ 绕线电位器。绕线电位器是将康铜丝或镍铬合金丝作为电阻体，并把它绕在绝缘骨架上制成的。绕线电位器的特点是接触电阻小，精度高，温度系数小；其缺点是分辨力差，阻值偏低，高频特性差。主要用做分压器、变阻器、仪器中调零和工作点等。

⑤ 金属膜电位器。金属膜电位器的电阻体可由合金膜、金属氧化膜、金属箔等分别组成，特点是分辨率高，耐高温，温度系数小，动噪声小，平滑性好。

⑥ 导电塑料电位器。用特殊工艺将DAP（邻苯二甲酸二烯丙酯）电阻浆料敷在绝缘机体上，加热聚合成电阻膜，或将DAP电阻粉热塑压在绝缘基体的凹槽内形成实心体作为电阻体。特点是：平滑性好，分辨力优异，耐磨性好，寿命长，动噪声小，可靠性极高，耐化学腐蚀。

⑦ 带开关的电位器。有旋转式开关电位器、推拉式开关电位器、推推开关式电位器。

⑧ 预调式电位器。预调式电位器在电路中，一旦调试好，用蜡封住调节位置，在一般情况下不再调节。

⑨ 直滑式电位器。采用直滑方式改变电阻值。

⑩ 双连电位器。有异轴双连电位器和同轴双连电位器。

⑪ 无触点电位器。无触点电位器消除了机械接触，寿命长，可靠性高，如分光电式电位器、磁敏式电位器等。

5.热敏电阻

定义及分类

热敏电阻是电阻值随温度变化的电阻（Thermal Sensitive Resistor）。一般而言，热敏电阻有两大类，一类是电阻值随着温度升高而升高的PTC（Posi-tive Temperature Coefficient）热敏电阻，另一类是电阻值随着温度升高而降低的NTC（Negative Temperature Coefficient）热敏电阻。两种热敏电阻在特性上有以下三个方面的差别。

① PTC电阻与NTC电阻的阻值随温度变化朝相反量方向改变。

② PTC电阻比NTC电阻的温度系数大几个数量级。

③NTC电阻只是其阻值随温度变大变小，而PTC电阻则是受温度控制近似起到一个导电开关的作用。

热敏电阻与普通电阻有很大的区别，那就是热敏电阻的温度系数比普通电阻的温度系数大得多，即热敏电阻对温度的变化特别敏感。在温度变化时，热敏电阻的阻值会马上发生较大的改变。

在温度变化时，热敏电阻的电阻值会按照预期的规律来变化。一般来说，它的电阻会随着温度的上升而减小或升高。在某些热敏电阻作为电路保护元件的应用中，会使用正温度系数的热敏电阻；但在温度控制、温度补偿等应用中，则是广泛地使用负温度系数热敏电阻。热敏电阻的常用符号如图2-3所示。

PTC热敏电阻不仅因周围温度升高而电阻值升高，当有大电流通过时还会自加热，使得电阻值受热而升高。由于具有这种性质，PTC热敏电阻常被用于过电流保护电路、过热检测电路及温度检测电路等。如果PTC热敏电阻温度降低，电阻值会再度降低，是一种能够作为可恢复保险丝使用的器件。

PT热敏电阻自热

PTC热敏电阻在低电流时的功耗是很小的，在温度不变时，PTC热敏电阻和一般固定电阻的特性相同：它的电压和电流有线性关系。当电流增加时，正温度系数PTC热敏电阻不能消耗掉所产生的功率，结果是电阻的端电压不随电流线性增加，而是相对较小，这种现象也称为“自热”。这种特性的最典型的应用是热流量检测和电平检测等。

当PTC热敏电阻的功率做跳跃式变化时，在达到稳定的电流前总有一个时间的延迟。在这个时间延迟期间，PTC热敏电阻的电流将逐渐上升，经过一定的时间T后达到稳定。这种特性的最典型应用是限制电流的突然增长。

同样，NTC热敏电阻也常被用于温度检测电路、温度补偿电路及防涌流电路等。两类热敏电阻的应用领域都很广，其中包括家电产品、AV设备、笔记本电脑及手机等。随着电子化的发展，汽车领域对热敏电阻的需求也越来越大。

1）NTC热敏电阻特性

负温度系数热敏电阻的基础材料一般都是金属氧化物的混合物，热敏电阻的稳定性、电阻特性、电阻温度特性都可以通过改变电阻材料的化学成分和改变处理过程中的参数来进行控制。这样，就有各种不同特性的热敏电阻可供选择。再经过适当的后处理，如适当的封装技术，还可以进一步改善稳定性和电气特性。

温度电阻特性

现在，负温度系数热敏电阻随着温度的升高阻值可以有较大的减小：当温度从25℃上升到100℃时，典型的电阻变化量可以减小16%。NTC热敏电阻是一个负温度系数的热敏电阻，热敏电阻的温度-电阻特性是非线性的，这种特性可以由Steinhart-Hart议程来定义。其电阻-温度特性符合负指数规律，热敏控制和温度补偿等应用都依赖于热敏电阻的温度-电阻特性。NTC热敏电阻的温度特性可用下式近似表示：

式中，RT为温度T时零功率电阻值；A为与热敏电阻材料物理特性及几何尺寸有关的系数；B为热敏电阻的B值（B值定义为两个温度下零功率电阻值的自然对数之差与这两个温度倒数之差的比值）；T为温度（K）。

更精确的表达式为

式中，RT为热敏电阻在温度T时的零功率电阻值；T为热力学温度值（K）；A、B、C、D为特定的常数。

NTC热敏半导瓷大多是尖晶石结构或其他结构的氧化物陶瓷，具有负的温度系数，陶瓷晶粒本身由于温度变化而使电阻率发生变化，这是由半导体特性决定的。电阻值可近似表示为

式中，RT为温度T（K）时的电阻值；R0为温度T0（K）时的电阻值，T（K）=t（℃）+273.15；B为材料常数。

实际热敏电阻的B值并非是恒定的，其变化大小因材料构成而异，最大甚至可达5K/℃。因此在较大的温度范围内应用式（2-3）时，将与实测值之间存在一定误差。B值的大小取决于制作热敏电阻的材料，对于氧化物半导体热敏电阻，材料常数B为

式中，ΔE为杂质在半导体中的电离能；K为玻尔兹曼常数；B一般为2000～6000K。

若将式（2-3）中的B值用式（2-4）所示的值作为温度的函数计算时，则可降低与实测值之间的误差，可认为近似相等。

式中，C、D、E为常数。

因生产条件不同，造成的B值的波动会引起常数E发生变化，但常数C、D不变。因此，在探讨B值的波动量时，只需考虑常数E即可。

NTC热敏电阻的电阻-温度特性图如图2-4所示。B值相同，阻值不同的R-T特性曲线如图2-5（a）所示；相同阻值，不同B值的NTC热敏电阻R-T特性曲线如图2-5（b）所示。

由CdO-Sb2O3-WO3材料制成的热敏电阻的电阻率-温度的特性曲线如图2-6（a）所示，从图中可以看出，在相当宽的温度范围内，其电阻率与温度呈线性关系，它是一种比较理想的热敏电阻。为适于在高温条件下使用，采用氧化锌和氧化钇制作的高温热敏电阻，其工作温度范围为200～1000℃，它的特性曲线如图2-6（b）所示。

2）PTC热敏电阻特性

PTC热敏电阻是一种正温度特性很强的热敏电阻，主要构成是BaTiO3。BaTiO3陶瓷是一种典型的铁电材料，常温电阻率大于1012Ω·cm，为绝缘体，经过半导化掺杂后显示出强烈的PTC效应，常温电阻率很低，随着温度的升高，在居里点附近发生突变，产生几个数量级的变化。这是因为在多晶BaTiO3半导体材料的晶粒边界存在一个由表面态引起的势垒层，在居里温度下，晶界具有铁电性，介电常数很大，势垒高度低，电子很容易穿过势垒，相应的材料电阻率小，但在居里温度以上时，晶界层发生晶格转变，铁电性消失，介电常数急剧减小，根据居里-外斯定律，其势垒随之升高。随着势垒高度的急剧增高，电子难以越过势垒，相应材料的电阻率急剧上升，宏观上表现为材料的PTC效应。由于PTC热敏电阻的这种特性，无论是在工业电子设备还是家用电气产品中，热敏电阻都得到了广泛的应用。从应用的角度出发，通常把PTC材料的基本特性分为电阻率-温度特性、伏-安特性、电流-时间特性和热特性。

（1）PTC热敏电阻的电阻率-温度特性曲线

PTC热敏电阻的电阻率-温度特性通常简称为阻温特性，指在规定的电压下，PTC热敏电阻零功率电阻与电阻温度之间的依赖关系，如图2-7所示。

从图2-7所示的特性曲线中可以看到PTC热敏元件具有以下特性：

阻温特性

① 当温度低于居里点TC时，具有半导体特性。

② 当温度高于居里点TC时，电阻随温度升高而急剧增大，至TRmax时出现负阻现象。

③ 具有通电瞬时产生强大电流而后很快衰减的特性。

表征PTC热敏电阻阻温特性好坏的重要参数是温度系数α，α反映的是阻温特性曲线的陡峭程度。温度系数α越大，PTC热敏电阻对温度变化的反应就越灵敏，即PTC效应越显著，相应地PTC热敏电阻的性能也就越好，使用寿命就越长。PTC热敏电阻的温度系数定义为温度变化导致电阻的相对变化：

一般情况下，T1取TC+15℃，T2取TC+25℃来计算温度系数。

图2-8、图2-9所示为不同电压及频率下PTC热敏电阻的阻温特性曲线，从图中可以看出，同一温度下的电阻值，随电压或频率的增加而明显下降。

（2）PTC热敏电阻电压-电流特性曲线

电压-电流特性简称为伏安特性，它展示了加在PTC热敏电阻引线端的电压与达到热平衡的稳态条件下电压与电流的相互依赖关系。PTC热敏电阻电压-电流特性曲线如图2-10所示。图中Ik为在外加电压Uk时的动作电流；Ir为外加电压Umax时的残余电流；Umax为最大工作电压；UN为额定电压；UD为击穿电压。PTC热敏电阻的伏安特性大致可分为三个区域：

在0～Uk之间的区域称为线性区，此间的电压和电流的关系基本符合欧姆定律，不产生明显的非线性变化，也称不动作区。在Uk～Umax之间的区域称为跃变区，此时由于PTC热敏电阻的自热升温，电阻值产生跃变，电流随着电压的上升而下降，所以此区也称动作区。在UD以上的区域称为击穿区，此时电流随着电压的上升而上升，PTC热敏电阻的阻值呈指数型下降，于是电压越高，电流越大，PTC热敏电阻的温度越高，阻值越低，很快导致PTC热敏电阻的热击穿。伏安特性是过载保护PTC热敏电阻的重要参考特性。

图2-11所示为同一PTC热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线。为此，在测量伏安特性曲线时，应尽量保持环境温度不变，且电流值应在电阻体温度平衡后读取。

（3）PTC热敏电阻电流-时间特性曲线

电流-时间特性是指PTC热敏电阻在施加电压的过程中，电流随时间变化的特性。开始加电瞬间的电流称为起始电流，达到热平衡时的电流称为残余电流。PTC热敏电阻电流-时间特性曲线如图2-12所示。

在一定环境温度下，给PTC热敏电阻加一个起始电流（保证是动作电流），通过PTC热敏电阻的电流降低到起始电流的50%时经历的时间就是动作时间。电流-时间特性是自动消磁PTC热敏电阻、延时启动PTC热敏电阻、过载保护PTC热敏电阻的重要特性。

图2-13所示为PTC热敏电阻动作电流-动作时间关系曲线，从图中可以看出，PTC热敏电阻的动作时间随起始电流的增大而急剧下降。此外，动作时间还与电阻温度系数、外加电压、热敏电阻的热容量有关。

2.1.2 电容器

1.电容器的构成及工作原理

电容器作用

电容器可以用来储存和释放电荷，根据它储存电荷能力的不同，在电路中，可以起“隔直流、通交流”，“通高频、阻低频”的作用。电容器在电路中的符号如图2-14所示。电容器在充电的瞬间，电路中有电流。而充电过程很快结束了，电容器充满电荷后，电流消失了。电容器容量越小，充电所用时间越短暂，可见直流电是不能通过电容器的。若将电源改为交流电源，电路中将有持续的电流，若交流电频率可以变化，那么在相同的电压下，较高频率交流电较低频率交流电更易于通过同一个电容器。

（1）电容器的构成

两个彼此绝缘、互相靠近的导体就构成了一个电容器，两个导体叫做电容器的两个极，分别用导线引出。电容器的文字符号是C。它的大小用电容量来衡量。电容量的基本单位是法拉（用F表示），还有较小的单位微法（μF）和皮法（pF），这三个单位的换算关系是：1F=106μF，1μF=106pF。

电容器也可以按其电容量是否可以改变，分为固定电容器和可变电容器（包括微调电容器和可变电容器）。若按制作材料划分，也可分为瓷介电容器、电解电容器、空气电容器等。

（2）电容器的原理

当图2-15所示的电路开关合上时，电源加在电容器A电极和B电极两端，电路中有短暂电流移动，电容器开始充电过程。当电极A和B之间的电压与电池的电压相等时，电流移动停止。假如电路中的开关打开，电容器所充的电能保留在电路上。若用导线短接电极A和B，电容器所充的电能将经由导线释放。电容器的电容量取决于电容器极板的相对面积和电容器极板之间的距离。

电容器的充放电示意图如图2-16所示，电路中的开关接至点1，电容器由电池E充电。电容器的终端电压EC不会立刻上升至E，而是逐渐接近E。电路中的开关接至点2，充入电容器的电能经由电阻放电，逐渐由EC降至0。

充电期间，EC上升至恒定电压（E）的63.2%，以及在放电期间下降至EC的36.8%所需的时间，称为时间常数，其符号为τ，公式如下：

2.电容器的主要特性参数

① 容量误差。指电容器的实际电容量和标称电容量允许的最大偏差范围，精密电容器的允许误差较小，而电解电容器的误差较大。常用的电容器其精度等级和电阻的表示方法相同。用字母表示：D——005级，±0.5%；F——01级，±1%；G——02级，±2%；J——Ⅰ级，±5%；K——Ⅱ级，±10%；M——Ⅲ级，±20%。

② 电容器的耐压。电容器长期可靠地工作所能承受的最大直流电压，也叫做电容器的直流工作电压。在交流电路中，要注意所加的交流电压最大值不能超过电容器的直流工作电压值。对于结构、介质、容量相同的电容器，耐压越高，体积越大。

③ 温度系数。在一定温度范围内，温度每变化1℃电容量的相对变化值称为温度系数。电容器的温度系数越小，其性能越好。

④ 绝缘电阻。由于电容器两极之间的介质不是绝对的绝缘体，它的电阻不是无限大，而是一个有限的数值，一般在1000MΩ以上。电容器两极之间的电阻叫做绝缘电阻，或者叫做漏电阻。漏电阻越小，漏电越严重。电容器漏电会引起能量损耗，这种损耗不仅影响电容器的寿命，而且会影响电路的工作。因此，漏电阻越大越好。

⑤ 损耗。电容器的损耗为在电场的作用下，电容器在单位时间内发热而消耗的能量。这些损耗主要来自介质损耗和金属损耗，通常用损耗角正切值来表示。

⑥ 频率特性。电容器的电参数随电场频率而变化，在高频条件下工作的电容器，由于介电常数在高频时比低频时小，电容量也相应减小。损耗也随频率的升高而增加。另外，在高频工作时，电容器的分布参数，如极片电阻、引线和极片间的电阻、极片的自身电感、引线电感等，都会影响电容器的性能。所有这些，使得电容器的使用频率受到限制。不同品种的电容器，最高使用频率不同，小型云母电容器在250MHz以内；圆片型瓷介电容器为300MHz；圆管型瓷介电容器为200MHz；圆盘型瓷介电容器可达3000MHz；小型纸介电容器为80MHz；中型纸介电容器只有8MHz。

3.常用电容器

（1）有机介质电容器

由于现代高分子合成技术的进步，新的有机介质薄膜不断出现，这类电容器发展很快。除了传统的纸介、金属化纸介电容器外，常见的涤纶、聚苯乙烯电容器等均属此类。

① 纸介电容器（型号：CZ）。以纸作为绝缘介质，以金属箔作为电极板卷绕而成，是生产历史最悠久的一种电容器。它的制造成本低，容量范围大，耐压范围宽（36V～30kV），但体积大，损耗（tgδ）大，因而只适用于直流或低频电路中。在其他有机介质迅速发展的今天，纸介电容器将逐步被淘汰。

②金属化纸介电容器（型号：CJ1）。在电容器纸上蒸发一层金属膜作为电极，卷制后封装而成，有单向和双向两种引线方式。金属化纸介电容器的成本低，容量大，体积小，在相同耐压和容量的条件下，纸介电容器的体积比它大3～5倍。这种电容器在电气参数上与纸介电容器基本一致，突出的特点是受到高电压击穿后能够“自愈”，但其电容值不稳定，等效电感和损耗（tgδ值）都较大，适用于频率和稳定性要求不高的电路中。现在，金属化纸介电容器也已经很少见到。

③ 有机薄膜电容器。与纸介电容器基本相同，区别在于介质材料不是电容纸，而是有机薄膜。有机薄膜在这里只是一个统称，具体有涤纶、聚丙烯薄膜等数种。这种电容器不论是体积、重量还是电参数，都要比纸介或金属化纸介电容器优越得多。最常见的涤纶薄膜电容器（型号：CL）的体积小，容量范围大，耐热、耐湿性能好；稳定性不高，但比低频瓷介或金属化纸介电容器要好，宜做旁路电容器。

（2）无机介质电容器

无机介质电容器由陶瓷、云母、玻璃等材料制成。

① 瓷介电容器（型号：CC或CT）。瓷介电容器也是一种生产历史悠久、容易制造、成本低廉、安装方便、应用极为广泛的电容器，一般按其性能可分为低压小功率和高压大功率（通常额定工作电压高于1kV）的两种。

常见的低压小功率电容器有瓷片、瓷管、瓷介独石等类型，在陶瓷薄片两面喷涂银层并焊接引线，披釉烧结后就制成瓷片电容器；若在陶瓷薄膜上印制电极后叠层烧结，就能制成独石电容器。独石电容器的单位体积比瓷片电容器小很多，为瓷介电容器向小型化和大容量的发展开辟了良好的途径。

高压大功率瓷介电容器可制成鼓形、瓶形、板形等形式，这种电容器的额定直流电压可达30kV，容量范围为470～6800pF，通常用于高压供电系统的功率因数补偿。

由于所用陶瓷材料的介电性能不同，因而低压小功率瓷介电容器有高频瓷介（CC）、低频瓷介（CT）电容器之分。高频瓷介电容器的体积小，耐热性好，绝缘电阻大，损耗小，稳定性高，常用于要求低损耗和容量稳定的高频、脉冲、温度补偿电路，但其容量范围较窄，一般为1pF～0.1μF；低频瓷介电容器的绝缘电阻小，损耗大，稳定性差，但重量轻，价格低廉，容量大，特别是独石电容器的容量可达2μF以上，一般用于对损耗和容量稳定性要求不高的低频电路，在普通电子产品中广泛用做旁路、耦合元件。

② 云母电容器（型号：CY）。以云母为介质，用锡箔和云母片（或用喷涂银层的云母片）层叠后在胶木粉中压铸而成。由于云母材料优良的电气性能和机械性能，使云母电容器的自身电感和漏电损耗都很小，具有耐压范围宽，可靠性高，性能稳定，容量精度高等优点，被广泛用在一些具有特殊要求（如高温、高频、脉冲、高稳定性）的电路中。

目前应用较广的云母电容器的容量一般为4.7～51000pF，精度可达到 ±（0.01%～0.03%），这是其他种类的电容器难以做到的。云母电容器的直流耐压通常在100V～5kV之间，最高可达40kV；温度系数小，一般可达到10-6/℃以内；可用于高温条件下，最高环境温度可达460℃；长期存放后，容量变化小于0.01%～0.02%。但是，云母电容器的生产工艺复杂，成本高，体积大，容量有限，因此它的应用范围受到了一定的限制。

③ 玻璃电容器。玻璃电容器以玻璃为介质，目前常见玻璃独石和玻璃釉独石两种。玻璃独石电容器与云母电容器的生产工艺相似，即把玻璃薄膜与金属电极交替叠合后热压成整体而成；玻璃釉独石电容器与瓷介独石电容器的生产工艺相似，即将玻璃釉粉压成薄膜，在膜上印刷图形电极，交替叠合后剪切成小块，在高温下烧结成整体。

与云母和瓷介电容器相比，玻璃电容器的生产工艺简单，因而成本低廉。这种电容器具有良好的防潮性和抗振性，能在200℃高温下长期稳定工作，是一种高稳定性、耐高温的电容器。其稳定性介于云母与瓷介电容器之间，体积只有云母电容器的几十分之一，所以在高密度的电路中广泛使用。

（3）电解电容器

电解电容器以金属氧化膜作为介质，以金属和电解质作为电容器的两极，金属为阳极，电解质为阴极。使用电解电容器必须注意极性，由于介质单向极化的性质，它不能用于交流电路，极性不能接反，否则会影响介质的极化，使电容器漏液、容量下降，甚至发热、击穿、爆炸。

由于电解电容器的介质是一层极薄的氧化膜（厚度只有几纳米到几十纳米），因此比率电容（电容量/体积）比任何其他类型电容器的都要大。对于相同的容量和耐压，其体积比其他电容器都要小几个或几十个数量级，低压电解电容器的这一特点更为突出。在要求大容量的场合（如滤波电路等），均选用电解电容器。电解电容器的损耗大，温度特性、频率特性、绝缘性能差，漏电流大（可达毫安级），长期存放可能因电解液干涸而老化。因此，除体积小以外，其任何性能均远不如其他类型的电容器。常见的电解电容器有铝电解、钽电解和铌电解电容器。此外，还有一些特殊性能的电解电容器，如激光储能型、闪光灯专用型、高频低感型电解电容器等，用于不同要求的电路。

① 铝电解电容器（型号：CD）。铝电解电容器一般用铝箔和浸有电解液的纤维带交叠卷成圆柱形后，封装在铝壳内。大容量的铝电解电容器的外壳顶端通常有“十”字形压痕，其作用是防止电容器内部发热引起外壳爆炸：假如电解电容器被错误接入电路，介质反向极化会导致内部迅速发热，电解液汽化，膨胀的气体就会顶开外壳顶端的压痕释放压力，避免外壳爆裂伤人。铝电解电容器是一种使用最广泛的通用型电解电容器，适用于电源滤波和音频旁路。铝电解电容器的绝缘电阻小，漏电损耗大，容量范围是0.33～10000μF，额定工作电压一般在6.3～450V之间。

② 钽电解电容器（型号：CA）。钽电解电容器采用金属钽（粉剂或溶液）作为电解质，已经发展了大约60年。由于钽及其氧化膜的物理性能稳定，所以它与铝电解电容器相比，具有绝缘电阻大，漏电小，寿命长，比率电容大，长期存放性能稳定，温度及频率特性好等优点；但它的成本高，额定工作电压低（最高只有160V）。这种电容器主要用于一些对电气性能要求较高的电路，如积分、计时、开关电路等。钽电解电容器分为有极性和无极性的两种。除液体钽电容器以外，近年来又发展了超小型固体钽电容器。高频片状钽电容器的最小尺寸可达1mm×2mm，用于混合集成电路或采用SMT技术的微型电子产品中。

4.穿心电容器

普通电容器不能有效地滤除高频噪声，是因为电容器引线电感造成电容器谐振，对高频信号呈现较大的阻抗，削弱了对高频信号的旁路作用；导线之间的寄生电容使高频信号发生耦合，降低了滤波效果，普通电容器在高频滤波中的问题如图2-17所示。要滤除的电磁噪声频率往往高达数百 MHz，甚至超过1GHz。对这样高频率的电磁噪声必须使用穿心电容器才能有效地滤除。

穿心电容器特点

穿心电容器不仅没有引线电感造成电容器谐振频率过低的问题，而且穿心电容器可以直接安装在金属面板上，利用金属面板起到高频隔离作用。穿心电容器最大的弱点是怕高温和温度冲击，这将对穿心电容器往金属面板上的焊接造成很大困难。许多电容器在焊接过程中发生损坏，特别是当需要将大量的穿心电容器安装在面板上时，只要有一个损坏，就很难修复，因为在将损坏的电容器拆下时，会造成邻近其他电容器的损坏。为了解决这个问题，国外许多厂商开发了“滤波阵列板”，这是用特殊工艺事先将穿心电容器焊接在一块金属板构成的器件上，使用滤波阵列板能够解决大量导线穿过金属面板的滤波问题。

电容器通过向噪声源的公共端提供一条阻抗很低的通路来将电压尖峰旁路掉，电容器可以接在每根引线与地之间，也可以接在两根引线之间。电容器安装在什么位置或怎样连接主要取决于噪声的种类，要使电容器具有较好的滤波效果，它与噪声源的公共地之间的连线要尽量短。自由空间中导线的电感约为每英寸1nH。如果噪声频率为50～100MHz，与电容连接的导线的长度为4～6英寸，那么即使不考虑电容的阻抗，仅导线电感的阻抗为

XL=2π×f×L=3.77Ω

总阻抗还需要加上电容（0.1μF）的阻抗：

XC=1/2π×f×C=0.159Ω

从这个结果得出，仅从电容器的阻抗而言，是一个非常好的旁路型滤波器。但是由于引线电感的影响，已经根本起不到滤波器的作用了。如果将导线的长度缩短为1英寸，则电感的阻抗仅为0.628Ω，这时滤波电容器的效果提高了20%。

5.PA-Cap聚合物固体片式铝电解电容器

PA-Cap聚合物固体片式铝电解电容器，在材料和核心工艺上有重大创新。它在研究聚吡咯薄膜电聚合生长规律的基础上，开发了在复杂多孔的绝缘体表面原位均匀生长高电导率聚吡咯膜技术，解决了聚合电解液长期使用过程中的自聚合难题；提出并实现了铝箔阳极、阴极隔离阻断工艺，引入补形成过程新技术，保证了PA-Cap产品具有优异的电气特性。

特点

PA-Cap聚合物固体片式铝电解电容器，具有极低的等效串联电阻（ESR）值、理想的容量频率曲线、稳定的温度特性、很强的噪声吸收能力、高的滤波效果，不燃烧、不爆炸、安全性高、无污染，而且兼有小型化、片式化、轻量化、低剖面等特点。显著的特性优势，使它在高频电路中得到广泛应用。

由于PA-Cap聚合物固体片式铝电解电容器的阴极采用PPY导电高分子聚合物材料，具有更高的电导率，为100S/cm电子导电，其导电电阻十分微小，当频率发生变化时，能使电容器的容量保持稳定；而固体片式钽电容器，阴极材料为MnO2，电导率为0.1S/cm，为PPY聚合物材料电导率的1/1000；对于液体铝电解电容器，其阴极材料为电解液，电导率为0.01S/cm离子导电，为PPY聚合物材料电导率的1/10000，其导电电阻高，当频率发生变化时，容量的稳定性更差。

PA-Cap聚合物固体片式铝电解电容器（47μF）工作在63kHz时，容量仍保持在39.4μF；固体片式钽电容器（220μF）工作在63kHz时，容量降为28.2μF；液体铝电解电容器（1000μF）工作在63kHz时，容量只有29.7μF。由此可见，虽然它们标称容量相差很大，但在高频条件下工作容量基本等同，而随着工作频率的升高它们的差异将更加明显。

在滤波电路中，当工作频率升高时，PA-Cap聚合物固体片式铝电解电容器由于具有优良的高频特性，能保持较稳定的容量，滤波作用基本不变；而固体钽电容器和液体铝电解电容器的容量分别产生明显的衰减，将导致滤波效果越来越差。

另外，PA-Cap聚合物固体片式铝电解电容器由于使用铝和导电高分子聚合物材料，分解温度非常高，耐热性十分优越，并应用树脂抑燃剂，即使高温或过流也不燃烧、不爆炸，具有极高的安全性。而固体钽电容器由于其在自愈过程中容易发生析氧反应，当温度高或过流时会发生燃烧、爆炸。液体铝电解电容器由于液体受热会膨胀和挥发，常发生漏液、干涸、鼓胀或爆浆的问题。

在高频电路中作为高频滤波电容器，由于固体钽电容器和液体铝电解电容器的容量分别产生不同程度的衰减，而用PPY导电高分子聚合物材料作为阴极的PA-Cap聚合物固体片式铝电解电容器，具有稳定的容量-频率特性，可以替代高容量的固体钽电容器和更高容量的液体铝电解电容器。因此，PA-Cap聚合物固体片式铝电解电容器作为高频电源的滤波电容器，以及具有电子线路的抗干扰作用而被广泛应用。

6.POSCAP电容器

“POSCAP”是“聚合物有机半导体固态电解电容器”的英文缩写。大部分POSCAP的阳极是烧结钽，仅少部分的阳极为铝箔，其介质分别为氧化钽（Ta2O5）及氧化铝（Al2O3），而电解质（阴极）都是固态的、导电性能良好的高分子聚合物。

POSCAP采用小尺寸贴片式封装，其内部结构如图2-18及图2-19所示。型号为2R5TPD680M5的POSCAP，其额定电压为2.5V，电容量为680μF，最大的ESR仅为5mΩ，允许最大的纹波电流为6100mA。

特点及作用

POSCAP是一种以高分子聚合物为固态电解质的钽或铝电解电容器，由于采用了导电性能好的固态高分子聚合物作为电解质，使它们具有尺寸小而电容量大、极低的ESR（等效串联电阻）及很大的允许纹波电流的特点。最适用于高效率、低电压、大电流降压式DC/DC变换器中作为输出电容器。

POSCAP在额定电压范围内（2.5～25V），电容量的范围为5.6～1000μF；允差为±20%（M级）；损耗因数在 8%～15%内；漏电流≤0.1CV；有极好的吸收噪声特性；有极好的频率特性（在10kHz～10MHz范围内）；有较好的温度特性；能承受20A瞬态冲击电流；寿命长，在105℃时可工作2000h；工作温度范围为-55～+105℃；出现故障时不会爆炸、燃烧，比一般的钽电解电容器安全；无铅封装。

典型的POSCAP电容器的阻抗与频率特性曲线如图2-20所示，从图中可看出：在10～1000kHz范围内，ESR特性十分平坦（ESR变化不大），并且 ESR值小于5mΩ。典型的POSCAP的ESR温度特性及电容量与温度的特性见表2-1。

允许的纹波电流值与频率及温度有关，工作在不同频率范围及温度范围时，要乘以频率补偿系数及温度补偿系数。频率补偿系数及温度补偿系数见表2-2及表2-3。

POSCAP各系列主要参数见表2-4。

滤波电容器在开关电源中起着非常重要的作用，如何正确选择滤波电容器，尤其是输出滤波电容器，是每个工程技术人员都十分关心的问题。

50Hz工频电路中使用的普通电解电容器，其脉动电压频率仅为100Hz，充放电时间是毫秒数量级。为获得更小的脉动系数，所需的电容量高达数十万μF，因此普通低频铝电解电容器的目标是以提高电容量为主，电容器的电容量、损耗角正切值以及漏电流是鉴别其优劣的主要参数。而开关电源中的输出滤波电解电容器，其锯齿波电压频率高达数十kHz，甚至是数十MHz，这时电容量并不是其主要指标，衡量高频铝电解电容器优劣的标准是“阻抗-频率”特性，要求在开关电源的工作频率内要有较低的等效阻抗，同时对于半导体器件工作时产生的高频尖峰信号具有良好的滤波作用。

普通的低频电解电容器在10kHz左右便开始呈现感性，无法满足开关电源的使用要求。而开关电源专用的高频铝电解电容器有四个端子，正极铝片的两端分别引出作为电容器的正极，负极铝片的两端也分别引出作为负极。电流从四端电容器的一个正端流入，经过电容器内部，再从另一个正端流向负载，从负载返回的电流也从电容器的一个负端流入，再从另一个负端流向电源负端。

由于四端电容器具有良好的高频特性，为减小电压的脉动分量以及抑制开关尖峰噪声提供了极为有利的手段。高频铝电解电容器还有多芯形式，即将铝箔分成较短的若干段，用多引出片并联连接以减小容抗中的阻抗成分。并且采用低电阻率材料作为引出端子，提高了电容器承受大电流的能力。

叠片电容器也称为无感电容器，一般电解电容器的芯子都卷成圆柱形，等效串联电感较大；因流过叠片电容器电流产生的磁通方向相反而被抵消，因而降低了电感的数值，具有更为优良的高频特性，这种电容器一般做成方形，便于固定，还可以适当减小占板面积。此外，还有一种将四端和叠片相结合的四端叠片式高频电解电容器，它综合了两者的优点，高频特性更佳。消除输出电容器可以在成本和占板空间两方面实现节省。输出电容器的基本选择取决于纹波电流、纹波电压以及环路稳定性等各种因素。

2.1.3 电感器

作用分类

电感器俗称电感或电感线圈，是利用电磁感应原理制成的元件，在电路里起阻流、变压、传送信号的作用。电感器按工作特征分成电感量固定的和电感量可变的两种类型；按磁导体性质分成空芯电感、磁芯电感和铜芯电感；按绕制方式及其结构分成单层、多层、蜂房式、有骨架式或无骨架式电感。电感器的应用范围很广泛，它在调谐、振荡、耦合、匹配、滤波、陷波、延迟、补偿及偏转聚焦等电路中都是必不可少的。由于其用途、工作频率、功率、工作环境不同，对电感器的基本参数和结构就有不同的要求，导致电感器类型和结构的多样化。电感器在电路中的符号如图2-21所示，电感器用L来表示。

1.电感器技术参数

（1）电感量

在没有非线性导磁物质存在的条件下，一个载流线圈的磁通量Ψ与线圈中的电流I成正比，其比例常数称为自感系数，用L表示，简称电感。即

电感的基本单位是H（亨利），实际常用单位有mH（毫亨）、μH（微亨）和nH（纳亨）。一般电感器的电感量精度在±5%～±20%之间。

（2）固有电容

电感线圈的各匝绕组之间通过空气、绝缘层和骨架而存在着分布电容，同时，在屏蔽罩之间、多层绕组的每层之间、绕组与底板之间也都存在着分布电容。这样，电感器实际上可以等效成如图2-22所示的电路。在图2-22中，等效电容C0是电感器的固有电容。由于固有电容的存在，使线圈有一个固有频率或谐振频率（f0），其值为

使用电感线圈时，应使其工作频率远低于线圈的固有频率。为了减小线圈的固有电容，可以减小线圈骨架的直径，用细导线绕制线圈，或者采用间绕法、蜂房式绕法。

（3）品质因数（Q值）

电感线圈的品质因数定义为

式中，f为工作频率（Hz）；L为线圈的电感量（H）；r为线圈的损耗电阻（Ω），包括直流电阻、高频电阻及介质损耗电阻。

Q值反映线圈损耗的大小，Q值越高，损耗功率越小，电路效率越高。一般谐振电路要求电感器的Q值高，以便获得更好的选择性。为提高电感线圈的品质因数，可以采用镀银导线、多股绝缘线绕制线匝，使用高频陶瓷骨架及磁芯（提高磁通量）。

（4）额定电流

电感线圈的额定电流指电感线圈长期允许通过的最大电流。当电感线圈在供电回路里作为高频扼流圈或在大功率谐振电路里作为谐振电感时，都必须考虑它的额定电流是否符合要求。

（5）稳定性

线圈产生几何变形、温度变化引起的固有电容和漏电损耗增加，都会影响电感器的稳定性。电感线圈的稳定性，通常用电感温度系数αL和不稳定系数βL来衡量，其值越大，表示电感线圈的稳定性越差。

式中，L2和L1分别表示温度为t2和t1时的电感量（H）；αL用于衡量电感量相对于温度的稳定性。

式中，L和Lt分别为原来的和温度循环变化后的电感量（H）；βL表示电感量经过温度循环变化后不再能恢复到原来数值的这种不可逆变化（无单位数值，可以用小数或百分数表示）。

温度对电感量的主要影响是由于导线受热膨胀使线圈产生几何变形而引起的，为减小这一影响，可以采用热绕法（绕制时将导线加热，冷却后导线收缩，紧紧贴合在骨架上）或烧渗法（在高频陶瓷骨架上烧渗一层旋绕的银薄膜，代替原来的导线），以保证线圈不变形。

湿度增大时，线圈的固有电容和漏电损耗增加，也会降低线圈的稳定性。改进的方法是将线圈用绝缘漆或环氧树脂等防潮物质浸渍密封。但这样处理后，由于浸渍材料的介电常数比空气大，会使线匝间的分布电容增大，同时还引入介质损耗，影响Q值。

2.饱和电感及分类物理特性

定义及分类

饱和电感是一种磁滞回线矩形比高，起始磁导率高，矫顽力小，具有明显磁饱和点的电感，饱和电感可分为自饱和和可控饱和两类。在电子电路中常被当做可控延时开关元件来使用。由于其独特的物理特性，使之在高频开关电源的开关噪声抑制、大电流输出辅路稳压、移相全桥变换器、谐振变换器及逆变电源等方面得到了日益广泛的应用。

（1）自饱和电感

其电感量随通过的电流大小可变，若磁芯磁特性是理想的（如呈矩形），如图2-23（a）所示，则饱和电感工作时，类似于一个“开关”，即绕组中的电流小时，磁芯不饱和，绕组电感很大，相当于“开路”；绕组中电流大时，磁芯饱和，绕组电感小，相当于开关“短路”。

（2）可控饱和电感

可控饱和电感又称可控饱和电抗器，其基本原理是，带磁芯的交流线圈在直流激磁作用下，由于交直流同时激磁，使磁芯状态一周期内按局部磁回线变化，因此，改变了磁芯等效磁导率和线圈电感。若磁芯磁特性是理想的（B-H特性呈矩形），则可控饱和电感类似于一个“可控开关”。在开关电源中，应用可控饱和电感可以吸收浪涌，抑制尖峰，消除振荡，以及快速恢复整流管串联时可使整流管损耗减小。可控饱和电感具有高磁滞回线矩形比（Br/Bs）、高起始磁导率μi、低矫顽力Hc、明显的磁饱和点（A、B）及由于其磁滞回线所包围的面积狭小而使其高频磁滞损耗较小等特征，如图2-23（b）所示。为此，可控饱和电感在应用方面的两个显著特点为：

① 由于饱和磁场强度很小，可饱和电感的储能能力很弱，所以，不能作为储能电感使用。可饱和电感的最大储能Em的理论值可表示为

式中，μ为临界饱和点磁导率；H为临界饱和点磁场强度；V为磁性材料的有效体积。

② 由于可饱和电感的起始磁导率高，磁阻小，电感系数和电感量都很大，在施加外部电压时，电感内部起始电流增长缓慢，只有经过Δt的延时后，电感线圈中的电流达到一定数值时，可饱和电感才会立即饱和，因而在电路中常被当做可控延时开关元件使用。

3.可饱和电感随电流变化的关系

因为有气隙和无气隙的dB/di磁路的计算方法不同，所以，有气隙和无气隙饱和电感与电流的关系表达式是不同的。无气隙可饱和电感L随电流变化的关系可表示为

式中，W为电感绕组匝数；I为激磁电流；f为电感用磁性材料B～H曲线的对应函数；S为磁性材料的截面积；l为磁性材料的平均长度。

有气隙可饱和电感在任意给定一个导磁体磁路中磁感应强度B1，可由B=f（H）曲线求出导磁体磁路中的磁场强度H1。气隙中的H0值可表示为

式中，B0为空气隙磁感应强度；a和b为磁路矩形截面积边长；l0为气隙长度；μ0为空气磁导率。

改变B值可由磁路定律求出相应的I，从而得到一组B和I的关系数据。设这个B与I对应的函数为B=f（I）。在不考虑漏感时，电感的计算式可表示为

式中，φ为磁路磁通量。则有气隙可饱和电感与电流的关系为

电感是开关电源中常用的元件，由于它的电流、电压相位不同，所以理论上损耗为零。电感常为储能元件，也常与电容一起用在输入滤波和输出滤波电路上，用来平滑电流。电感也被称为扼流圈，特点是流过其上的电流有“很大的惯性”。换句话说，由于磁通连续特性，电感上的电流必须是连续的，否则将会产生很大的电压尖峰。

电感为磁性元件，自然有磁饱和问题。有的应用允许电感饱和，有的应用允许电感从一定电流值开始进入饱和，也有的应用不允许电感出现饱和，这要求在具体线路中进行区分。大多数情况下，电感工作在“线性区”，此时电感值为一常数，不随着端电压与电流而变化。但是，开关电源存在一个不可忽视的问题，即电感的绕线将导致两个分布参数（或寄生参数），一个是不可避免的绕线电阻，另一个是与绕制工艺、材料有关的分布式杂散电容。杂散电容在低频时影响不大，但随频率的提高而渐显出来，当频率高到某个值以上时，电感也许变成电容特性了。如果将杂散电容“集中”为一个电容，则从电感的等效电路可以看出在某一频率后所呈现的电容特性。当电感L中有电流I流过时，电感储存的能量为

在一个开关周期中，电感电流的变化（纹波电流峰峰值）与电感两端电压的关系为

由此可以看出，纹波电流的大小跟电感值有关。就像电容有充、放电电流一样，电感器也有充、放电电压过程。电容上的电压与电流的积分（A·s）成正比，电感上的电流与电压的积分（V·s）成正比。只要电感电压变化，电流变化率di/dt也将变化；正向电压使电流线性上升，反向电压使电流线性下降。计算出正确的电感值，对选用合适的电感和输出电容以获得最小的输出电压纹波而言非常重要。

从图2-24中可以看出，流过开关电源电感器的电流由交流和直流两种分量组成，因为交流分量具有较高的频率，所以它会通过输出电容流入地，产生相应的输出纹波电压du=di×RESR。这个纹波电压应尽可能低，以免影响电源系统的正常工作，一般要求峰峰值为10～500mV。

纹波电流的大小同样会影响电感器和输出电容的尺寸，纹波电流一般设定为最大输出电流的10%～30%，因此对降压型电源来说，流过电感的电流峰值比电源输出电流大5%～15%。为降压型开关电源选择电感器时，需要确定最大输入电压、输出电压、电源开关频率、最大纹波电流、占空比。降压型开关电源电路如图2-25所示，在计算降压型开关电源电感值时，首先假设开关频率为300kHz，输入电压范围为12V±10%，输出电流为1A，最大纹波电流为300mA，最大输入电压值为13.2V，对应的占空比为

D=U0/U1=5/13.2=0.379

式中，U0为输出电压；U1为输入电压。

当开关管导通时，电感器上的电压为

U=U1-U0=8.2V

当开关管关断时，电感器上的电压为

U=-U0-Ud=-5.3V

dt可按下式计算：

将上述参数代入式（2-19）得出

L=U×D/（di×f）=（8.2×0.379）/（300×103×0.3）=34.5μH

在开关电源设计中，需要使用电感的电路通常要求电感实现以下两个基本功能：电路谐振和扼流电抗。谐振电路包括谐振发生电路、振荡电路、时钟电路、脉冲电路、波形发生电路等。谐振电路还包括高Q带通滤波器电路。要使电路产生谐振，必须有电容和电感同时存在于电路中。在电感的两端存在寄生电容，这是由于器件两个电极之间的铁氧体本体相当于电容介质而产生的。在谐振电路中，电感必须具有高品质因数Q、窄的电感偏差、稳定的温度系数，才能达到谐振电路窄带、低的频率温度漂移的要求。高Q电路具有尖锐的谐振峰值。窄的电感偏置保证谐振频率偏差尽量小。稳定的温度系数保证谐振频率具有稳定的温度变化特性。标准的径向引出电感和轴向引出电感以及片式电感的差异，仅仅在于封装不一样。电感结构包括介质材料（通常为氧化铝陶瓷材料）上绕制线圈，或者空心线圈以及铁磁性材料上绕制线圈。在功率应用场合，作为扼流圈使用时，电感的主要参数是直流电阻（DCR，定义为元件在没有交流信号下的直流电阻）、额定电流和低Q值。当作为滤波器使用时，希望宽的带宽特性，因此并不需要电感的高Q特性，低的直流电阻（DCR）可以保证最小的电压降。

2.1.4 软磁铁氧体磁芯及铁氧体磁珠

1.磁性材料术语

①磁场强度（H）与磁感应强度（B）。磁场强度是表示磁场强弱与方向的一个物理量，用安/米（A/m）表示。磁感应强度是指磁场作用于磁性物质上的作用力的大小，用（Gs）表示。温度越高，磁感应强度越低。

② 居里温度TC。磁芯的磁状态由铁磁性转变成顺磁性时，在μ-T曲线上，80%μmax与20%μmax的连线跟磁导率等于1的直线交点相对应的温度称为居里温度。温度越高，磁导率也越高，当超过130℃时，初始磁导率为零。

③ 初始磁导率μi。磁性材料的磁化曲线始端磁导率的极限值，称为初始磁导率。

④剩余磁感应强度Br。磁芯从饱和状态除去磁场后剩余的磁感应强度，称为剩余磁感应强度。

⑤矫顽力HC。磁芯从饱和状态除去磁场后继续反向磁化，直到磁感应强度减小到零，此时的磁场强度称为矫顽力（保磁力）。

结构特性

铁氧体是一种立方晶格结构的亚铁磁性材料，铁氧体材料为铁镁合金或铁镍合金，它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似，颜色为灰黑色。这种材料的特点是高频损耗非常大，具有很高的磁导率，它可以使电感的线圈绕组之间在高频高阻的情况下产生的电容最小。铁氧体材料通常应用于高频情况，因为在低频时它主要呈现电感特性，使得损耗很小。在高频情况下，它们主要呈现电抗特性并且随频率改变。

在实际应用中，铁氧体材料是作为射频电路的高频衰减器使用的。实际上，铁氧体可以较好地等效于电阻以及电感的并联，低频下电阻被电感短路，高频下电感阻抗变得相当高，以至于电流全部通过电阻。铁氧体是一个消耗装置，高频能量在上面转化为热能，这是由它的电阻特性决定的。

电磁干扰滤波器中经常使用的一类磁芯就是铁氧体材料，许多厂商都提供专门用于电磁干扰抑制的铁氧体材料。对于抑制电磁干扰用的铁氧体，最重要的性能参数为磁导率和饱和磁通密度。磁导率可以表示为复数，实数部分构成电感，虚数部分代表损耗，随着频率的增加而增加。因此它的等效电路为由电感L和电阻R组成的串联电路，L和R都是频率的函数。当导线穿过这种铁氧体磁芯时，所构成的电感阻抗在形式上是随着频率的升高而增加，但是在不同频率时其机理是完全不同的。

在高频段，阻抗主要由电阻成分构成，随着频率的升高，磁芯的磁导率降低，导致电感的电感量减小，感抗成分减小，但是，这时磁芯的损耗增加。电阻成分增加，导致总的阻抗增加。当高频信号通过铁氧体时，电磁干扰被吸收并转换成热能的形式消耗掉。在低频段，阻抗主要由电感的感抗构成，低频时R很小，磁芯的磁导率较高，因此电感量较大，电感L起主要作用，电磁干扰被反射而受到抑制，并且这时磁芯的损耗较小，整个器件是一个低损耗、高品质因数Q特性的电感，这种电感容易造成谐振，因此在低频段时可能会出现使用铁氧体磁珠后干扰增强的现象。

选用磁性材料时，要选用可饱和的磁性材料。这种材料具有良好的开关特性，可产生优良的振荡波形，并要求磁芯具有S矩形磁滞回线。这样的磁性材料的磁滞回线可使线圈中的电流波形前后沿陡峭，能很好地传递各种波形电信号。如果磁芯的S矩形曲线在B方向上被压扁，将会严重影响变压器的振荡波形，导致开关晶体管温升加剧。

2.磁芯的选用及分类

选用要点

选用磁芯一定要在一定的居里温度以内，这是选择磁芯材料首先要考虑的问题。其次还要注意磁芯的结构、脆度、硬度、稳定性、磁导率及磁感应强度。在设计时，对工作频率和噪声干扰应十分注意。在强磁场力作用下，磁性材料会收缩或膨胀，很可能出现磁共振，所以把磁芯变压器装在印制电路板上时要注意切实黏结牢固，防止出现机械噪声和电磁噪声。软磁铁氧体磁芯通常分为以下几类。

① POT是罐形磁芯，铜线绕在磁芯内面，它的优点是导磁感应好，传递电能佳，可大量减少EMI；它的缺点是散热效果极差，温升很高，只能用在小功率开关电源上。

② PM是R形磁芯，结构紧凑，体积小，但电能耦合不是很好，散热性能也不是很好。

③RM、X形磁芯的磁耦合能力和散热效果都很好，适合用在100W以上的大中功率电源上，其缺点是所占空间大，放置困难。

④ EC磁芯是在开关电源上常用的一种磁芯，磁芯截面积大，散热效果好，常用在100～150W的开关电源上。其缺点是窗口面积比较小，对变压器的匝数要有限制。

⑤EE磁芯是一种常用磁芯，对于中小功率的变压器来说很适合。磁芯面积的大小将决定开关电源的功率。一般来说，磁芯面积越大，输出功率也越大。

3.铁氧体磁珠

结构

片式铁氧体磁珠是一个叠层型片式电感器，是由铁氧体磁性材料与导体线圈组成的叠层型独石结构。由于是在高温下烧结而成，因而致密性好、可靠性高。两端的电极由银、镍、焊锡三层构成，可满足再流焊和波峰焊的要求。

片式铁氧体磁珠在EMI抑制中占有重要的位置。磁珠种类很多，有的磁珠上有多个孔洞，用导线穿过可增加元件阻抗（穿过磁珠次数的平方），不过在高频时所增加的抑制噪声能力可能不如预期的多，可以采用多串联几个磁珠的办法。

值得注意的是，高频噪声的能量是通过铁氧体磁矩与晶格的耦合而转变为热能散发出去的，并非将噪声导入地或者阻挡回去，如旁路电容那样。因而，在电路中安装铁氧体磁珠时，不需要为它设置接地点，这是铁氧体磁珠的突出优点。

铁氧体抑制元件还广泛应用于印制电路板、电源线和数据线上。如在印制板的电源线入口端加上铁氧体磁珠，就可以滤除高频干扰。铁氧体磁环或磁珠专用于抑制信号线、电源线上的高频干扰和尖峰干扰，它也具有吸收静电放电脉冲干扰的能力。

普通滤波器是由无损耗的电抗元件构成的，它在线路中的作用是将阻带频率反射回信号源，所以这类滤波器又叫反射滤波器。当反射滤波器与信号源阻抗不匹配时，就会有一部分能量被反射回信号源，造成干扰电平的增强。为解决这一弊病，可在滤波器的进线上使用铁氧体磁环或磁珠套，利用磁环或磁珠对高频信号的涡流损耗，把高频成分转化为热损耗。因此磁环和磁珠实际上对高频成分起吸收作用，所以有时也称之为吸收滤波器。

采用磁环/磁珠抑制差模干扰时，通过它的电流值正比于其体积，两者失调造成饱和，降低了元件性能；抑制共模干扰时，将电源的两根线（正负）同时穿过一个磁环，有效信号为差模信号，EMI吸收磁环/磁珠对其没有任何影响，而对于共模信号则会表现出较大的电感量。磁环的使用中还有一个较好的方法是让穿过磁环的导线反复绕几下，以增加电感量。可以根据它对电磁干扰的抑制原理，合理使用它的抑制作用。

1）片式铁氧体磁珠的基本特性

特性

用于EMI抑制的片式铁氧体磁珠，可以把大部分磁通作为材料中的热散掉。其基本特性可以由一个电感器和一个电阻的串联组合来模拟。两个元件的数值大小与磁珠的长度成正比，而且磁珠的长度对抑制效果有明显影响，磁珠长度越长，抑制效果越好。在体积一定时，长而细的形状比短而粗的抑制效果好，内径越小抑制效果也越好。但在有直流或交流偏流的情况下，还存在铁氧体饱和的问题，抑制元件横截面越大，越不易饱和，可承受的偏流越大。

由于信号能量呈磁耦合加到磁珠上，故电感器的电抗与电阻的大小随频率的升高而增大。磁耦合的效率取决于磁珠材料相对于空气的磁导率。通常组成磁珠的铁氧体材料的损耗可以通过其相对于空气的磁导率，表示成一个复数量。磁性材料常用此量表征出损耗角。用于EMI抑制铁氧体元件要求较大的损耗角，这意味着大部分干扰都将被耗散而不被反射。

片式铁氧体磁珠的等效电路的阻抗|Z|可以表达为|Z| =R+jX，其中X是电抗，|Z|、R、X都是频率f的函数。|Z|、R、X随频率的增加而上升，直至由片式铁氧体磁珠的寄生电容C引起的自谐振频率时X迅速下降，并由感性转为容性。在自谐振频率处，|Z|达到最大值。利用铁氧体磁珠阻抗频率特性，可以达到让低频信号通过而同时抑制高频噪声的目的。值得注意的是，高频噪声的能量是通过铁氧体磁矩与晶格的耦合而转变为热能散发出去的，并非将噪声导入地或反射回去。因而，在电路中安装铁氧体磁珠时，不需要为它设置接地点，这是铁氧体磁珠的突出优点之一。

片式铁氧体磁珠的外形尺寸与公差符合 EIA/EIAJ片式元件标准，有3216（1206）、2012（0805）、1608（0603）、1005（0402）和0603（0201）等几种规格，目前的主流尺寸为1608和1005，几年之后将发展到0603（0.6mm×0.3mm）。

铁氧体磁珠高频等效电路为由电感L和电阻R组成的串联电路，如图2-26（a）所示，电感L和电阻R都是频率的函数。当导线穿过这种铁氧体磁芯时，所构成的电感阻抗在形式上随着频率的升高而增加，但是在不同频率时其机理是完全不同的。图2-26（b）所示为铁氧体磁珠电路符号。

片式磁珠是目前应用、发展很快的一种抗干扰元件，廉价、易用，滤除高频噪声效果显著。片式磁珠由软磁铁氧体材料组成，片式铁氧体磁珠等效电路如图2-27所示。在图2-27所示的等效电路中，R代表由于铁氧体材料的损耗（主要是磁损耗）以及导体线圈的欧姆损耗而引起的等效电阻，C是导体线圈的寄生电容。

片式磁珠的功能主要是消除存在于传输线（PCB电路）中的RF噪声，RF能量是叠加在直流传输电平上的交流正弦波成分，直流成分是需要的有用信号，而射频RF能量是无用的并沿着线路传输和辐射EMI。要消除这些不需要的信号能量，使用片式磁珠的高频电阻特性，该器件允许直流信号通过，而滤除交流信号。使用片式磁珠的优点有：

优点

① 小型化和轻量化。在射频噪声频率范围内具有高阻抗，消除传输线中的EMI。

② 闭合磁路结构，更好地消除信号的串扰。

③ 极好的磁屏蔽结构，降低直流电阻，以免对有用信号产生过大的衰减。

④显著的高频特性和阻抗特性（更好地消除RF能量），在高频放大电路中消除寄生振荡。

⑤ 可有效地工作在几个MHz到几百MHz的频率范围内。

2）磁环、磁珠的选用

近年来，由于电磁兼容的迫切要求，铁氧体磁珠得到了广泛的应用，尤其是片式铁氧体磁珠。在各种现代电子产品中，为了达到电磁兼容的要求，几乎都采用了这类元件。但值得注意的是，这类元件品种繁多，性能各异，不像阻容元件那样系列化、标准化，所以，必须全面了解各种铁氧体磁珠的特性，并根据实际情况，恰当地选择与使用这些元件，才能收到满意的效果。

由于铁氧体磁珠在电路中使用能够增加高频损耗而又不引入直流损耗，而且体积小，便于安装在区间的引线或者导线上，对于1MHz以上的噪声信号抑制效果十分明显，因此可用于高频电路的去耦、滤波以及寄生振荡的抑制等。特别对消除电路内部由开关器件引起的电流突变和滤波电源线或其他导线引入电路的高频噪声干扰效果明显。

低阻抗的供电回路、谐振电路、丙类功率放大器以及可控硅开关电路等，使用铁氧体磁珠进行滤波都是十分有效的。铁氧体磁珠一般可以分为电阻性和电感性两类，使用时可以根据需要选取。单个磁珠的阻抗一般为十至几百欧姆，应用时一个衰减量不够时可以用多个磁珠串联使用，但是通常三个以上时效果就不会再明显增加了。选择磁珠时应注意以下事项：

注意事项

① 需衰减信号的频率范围。

② 确定噪声源。

③ 需要多大的噪声衰减。

④ 环境条件（温度、直流电压、结构强度）。

⑤ 电路和负载阻抗。

⑥ 是否有空间在PCB上放置磁珠。

前三条通过厂家提供的阻抗频率曲线就可以判断，在阻抗曲线中三条曲线都非常重要，即电阻、感抗和总阻抗。选择在希望衰减噪声的频率范围内，具有最大阻抗而在低频和直流下信号衰减尽量小的磁珠。片式磁珠在过大的直流电压下，阻抗特性会受到影响，另外，如果工作温升过高，或者外部磁场过大，磁珠的阻抗都会受到不利的影响。

磁环、磁珠有效频段为21000MHz，性能最佳频段则为5200MHz，在此频段吸收阻抗维持为一个常数。EMI吸收磁环、磁珠选择时需注意的是：通过电流大小正比于元件体积，两者失调，易造成饱和，降低元件性能。避免饱和的有效方法是将电源的两根线（正、负或相、地）同时穿过一个磁环。可让穿过磁环的导线反复串几下，以提高穿过环的面积，增加等效吸收长度，充分利用磁环具有的磁滞特点，改善低端特性。

磁环、磁珠的单位是欧姆，而不是亨利，这一点要特别注意。因为磁环、磁珠的单位是按照它在某一频率产生的阻抗来标称的，一般以100MHz为标准。普通滤波器是由无损耗的电抗元件构成的，它在线路中的作用是将阻带频率反射回信号源，所以这类滤波器又叫反射滤波器。当反射滤波器与信号源阻抗不匹配时，就会有一部分能量被反射回信号源，造成干扰电平的增强。为解决这一弊病，可在滤波器的进线上使用铁氧体磁环或磁珠，利用磁环、磁珠对高频信号的涡流损耗，把高频成分转化为热损耗。因此磁环和磁珠实际上对高频成分起吸收作用，所以有时也称之为吸收滤波器。

片状滤波器是磁环、磁珠与电容器组合而成的组合器件，具有两者特性的组合与延伸，其等效电路为一个T型电路，C元件参数选择不同，片状滤波器的转折频率，即通频带也就得到改变，使之适应各种不同要求的电路。通常片状滤波器用于直流电源输出端。特别是开关电源，可有效抑制、消除开关电源主振引起的高次谐波的干扰通过电源线干扰系统；若同一电源有多个分支，则用片状滤波器接至每一分支，还可有效防止各分支干扰信号相互串扰。

3）磁珠和电感的区别

磁珠由铁氧磁体组成，电感由磁芯和线圈组成，磁珠把交流信号转化为热能，电感把交流存储起来，缓慢地释放出去，因此说电感是储能元件，而磁珠是能量转换（消耗）器件。电感多用于电源滤波回路，磁珠多用于信号回路，磁珠主要用于抑制电磁辐射干扰，而电感用于这方面则侧重于抑制传导性干扰。两者都可用于处理EMC、EMI问题。磁珠用来吸收超高频信号，例如一些 RF电路、PLL、振荡电路、含超高频存储器电路（DDR SDRAM、RAMBUS等）都需要在电源输入部分加磁珠，而电感是一种蓄能元件，用在LC振荡电路、中低频的滤波电路等，其应用频率范围很少超过50MHz。使用片式磁珠还是片式电感主要还在于具体的应用，在谐振电路中需要使用片式电感，而需要消除不需要的EMI噪声时，使用片式磁珠是最佳的选择。

4）片式铁氧体磁珠的分类

（1）通用型片式铁氧体磁珠

通用型片式铁氧体磁珠是应用最为广泛的EMI抑制元件，生产厂家一般提供100MHz时的阻抗|Z|、直流电阻和额定电流等数据。表2-5给出某公司生产的BG1005系列通用型片式铁氧体磁珠的数据，同时，生产厂家还提供阻抗频率曲线，在选用时，主要依据其阻抗频率曲线的特性。不同的片式铁氧体磁珠，其阻抗|Z|随频率的上升趋势是不相同的。选择原则是：在有用的信号频率范围内|Z|尽可能低，不致造成信号的衰减和畸变，而在需要抑制的EMI高频范围内，|Z|尽可能高，将高频噪声有效抑制，同时还要考虑其直流电阻和额定电流。

（2）大电流型片式铁氧体磁珠

片式铁氧体磁珠所能承受的额定电流与其材料和结构有关，在表2-5中，对于通用型1005规格片式铁氧体磁珠而言，当其100MHz的阻抗为5Ω时，额定电流可以达到500mA；当阻抗提高到120Ω时，额定电流下降到150mA。如果超过额定电流将会出现两个问题：一是由于偏置电流过大，使铁氧体接近饱和，磁导率下降，以致抑制高频噪声的效果明显减弱，这是不能允许的。而在某些场合，必须要求片式铁氧体磁珠能够承受较大的电流。例如，安装在DC电源输出端口的片式铁氧体磁珠，必须在通过大的DC电流的同时能够有效地抑制DC电源中产生的高次谐波分量，即片式铁氧体磁珠必须在大的偏置磁场下对高频信号仍然保持较高的阻抗值。为此，生产厂家开发了大电流型片式铁氧体磁珠，额定电流几乎提高了1个数量级。如MBW系列产品中的1608规格，当其100MHz阻抗为150Ω时，其额定电流高达300mA。

（3）低DC电阻型片式铁氧体磁珠

在某些情况下，要求片式铁氧体磁珠的DC电阻越小越好。例如，所有电池供电的便携式电子产品都要求减小电阻以延长电池的使用时间，随着高速数字电路的发展，IC电源的功率消耗增加，所以在IC电源线中插入的片式铁氧体磁珠必须是低DC电阻型，IC及半导体器件的工作电压逐步下降，这也要求片式铁氧体磁珠的DC电阻下降。另外，片式铁氧体磁珠的DC电阻会引起热噪声，在某些电路中是不允许的。为了解决上述问题，近年来生产厂家提高了材料的导电性，优化了导体线圈的结构设计，从而大大降低了片式铁氧体磁珠的DC电阻，现在已经有DC电阻低于0.01Ω的片式铁氧体磁珠面市。

（4）尖峰型片式铁氧体磁珠

一些电子产品有时会在某一固定的频率下出现强烈的干扰信号，出现这种现象的原因很多，例如高次谐波、自激振荡或外界干扰等。由于这样的干扰信号出现在固定的频率下，幅度很大，用普通的EMI元件很难抑制。针对这种情况，生产厂家开发了一种称为尖峰型片式铁氧体磁珠的产品。尖峰型片式铁氧体磁珠在某一频率下，阻抗|Z|呈现尖锐的峰值。显然，如果尖峰型片式铁氧体磁珠的阻抗|Z|呈现尖锐峰值的频率与干扰信号的频率重合，那么就能够将这个幅度很高的强烈干扰有效抑制。不同电子产品出现这样的干扰信号的频率是不相同的，因此，在设计中要根据产品的具体情况（干扰信号的频率、频带、幅度等）向片式铁氧体磁珠生产厂家专项订购，才能达到满意的效果。

（5）片式铁氧体磁珠阵列（磁珠排）

将几个（一般是2个、4个、6个、8个）铁氧体磁珠并列封装在一起，构成一个集成型片式EMI抑制元件，称之为片式铁氧体磁珠阵列或磁珠排，例如BMA2010型就是将4个磁珠并列封装在2.0mm×1.0mm尺寸的外壳内，其中铁氧体磁珠阵列每一线的性能与单个磁珠相同。如果需要，上述的几类片式铁氧体磁珠均可做成阵列元件。在开关电源中某些有排线的部位，使用这种铁氧体磁珠阵列元件非常方便，既能节省PCB的占用面积，又能提高贴装速度。

（6）GHz高频型片式铁氧体磁珠

数字电路高速化的发展趋势非常强劲，时钟频率越来越高。这样，一方面将EMI的频率范围向高频段扩展，直至2～3GHz；另一方面，由于高速数字信号的脉冲波形更加陡峭，以致基波频率提高，为了使这样的信号通过片式铁氧体磁珠后波形不发生畸变，就要求它对3次谐波乃至5次谐波不产生大的损耗。这就意味着装入高速数字电路的片式铁氧体磁珠在几百MHz（例如400MHz）以下的频段内保持低阻抗|Z|，以致不引起信号波形的畸变，而在几百MHz至2～3GHz的高频段内具有高阻抗|Z|，能够有效地抑制高频EMI。

为了满足上述要求，生产厂家开发出一些GHz高频型片式铁氧体磁珠，此类GHz高频型片式铁氧体磁珠采用低温烧结Z型6角晶系铁氧体材料。