1.3 开关电源元器件的特性与选用

选用好元器件，是决定开关电源质量的关键。往往设计的开关电源在实验室中是成功的，一到生产线上进行规模生产时，就会出现各种问题。当然，有设计方面的，有工艺方面的，还有焊接方面的，但多数是元器件选用问题。元器件质量的差异是影响开关电源质量的一个重要原因。这里将讨论各种元器件的规格、特性及选用的原则。

开关电源中的功率开关晶体管是影响电源可靠性的关键器件。开关电源所出现的故障中约60%是功率开关晶体管损坏引起的。主电路中用作开关的功率管主要有双极型晶体管和MOSFET两种。随着绿色开关电源的发展，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、双极型静电感应晶体管（BSIT）及联栅晶体管（GAT）等新型功率开关器件也在不断地涌现，开关电源的发展前景非常广阔。

1.3.1 功率开关晶体管的特性与选用

1.MOSFET的特点及主要参数

现在MOSFET在电子电路中被广泛应用，是因为单晶硅的结面积较大，能实现垂直传导电流，使得电流的容量加大，焊接在PN结面的单晶硅具有高阻移动范围，提高了结区耐压量级，沟道电阻减小，开关速度提高，栅极电压不以漏源间隙增加而变化，所以漏源电压大大提高，极间电容减小。

MOSFET分P沟道耗尽型、N沟道耗尽型和P沟道增强型、N沟道增强型4种类型。增强型MOSFET具有应用方便的“常闭”特性（即驱动信号为零时，输出等于零）。在开关电源中，用作功率开关管的MOSFET几乎全部都是N沟道增强型器件。这是因为MOSFET是一种依靠多数载流子工作的单极型半导体器件，不存在二次击穿和少数载流子的储存时间问题，所以具有较大的安全工作区，良好的散热稳定性。MOSFET用在开关电源电路中作为功率开关管，与双极型功率晶体管相比具有一定的优势。所有类型的功率驱动、有源功率因数校正、功率开关都是用MOSFET来设计的。

由于MOSFET没有少数载流子存在，极间电容极小，开关速度快，所以它适用于大功率驱动。

MOSFET的主要参数如下：

（1）漏源反向击穿电压V（BR）DS

漏源反向击穿电压就是PN结上的反偏电压，该电压决定了器件的最高工作电压，在MOS结构中，它用于衡量漏极PN结的雪崩击穿能力。栅极电压高低对漏沟道区反向偏置耗尽型电场的分布电荷有决定作用。V（BR）DS是随着温度变化而变化的，在一定温度范围内，PN结温度每升高10℃，V（BR）DS值将增加1%。所以结温上升，MOSFET的耐压上升，这是该管最大优点，而双极型晶体管则是相反。

（2）最大漏极电流I_Dmax

在MOSFET工作曲线上，当工作电流输出达到最大值，输出特性曲线进入饱和区，这时漏极电流最大值为I_Dmax。漏极电流越大，MOSFET沟道越宽。

（3）导通电阻R_ON

导通电阻是MOSFET的一个重要参数。决定R_ON有两个主要因素：一个是沟道电阻r_c，另一个是漂移电阻r_d。改变PN结的结构和几何尺寸，可以改变沟道电阻r_c和漂移电阻r_d。

导通电阻R_ON是决定开关电源输出损耗和MOSFET功耗的主要因素，R_ON小、V（BR）DS高的MOSFET就是优质MOSFET。R_ON与温度呈线性关系，受温度影响也大，制作的开关电源的效率低。

（4）跨导g_m

跨导是指MOSFET的漏极输出电流变化量ΔI_D与栅源极间电压的变化量ΔV_GS之比：g_m=ΔI_D/ΔV_GS

跨导g_m这一参数是对MOSFET漏极控制电流的控制能力的重要量度，g_m越大，MOS_- FET性能越好。

（5）开通时间t_on和关断时间t_off

我们知道，场效应晶体管是依靠多数载流子传导电流的，影响开关速度的主要因素是器件的输入电阻R_in和输入电容C_in，这两个参数是影响器件开关速度的主要因素，为了提高开关速度，必须尽最大努力减小MOSFET的各种极间电容，一般VMOS器件的开关速度比场效应晶体管和双极型晶体管要高很多。

（6）最高工作频率f_max

场效应晶体管工作频率越高，开关电源输出电压越高，效率越高。为了提高器件的工作频率，一般器件采用高散射极限速度和高迁移率的材料制造，这样可以提高跨导g_m，降低极间电容，这为提高器件工作频率创造了条件。

2.MOSFET驱动电路及要求

降低开关电源的损耗和实现真正完整的信号传递，驱动电路在这里起关键作用，场效应晶体管采用驱动方式有：

（1）直接驱动

图1-20所示用晶体管驱动MOSFET。为了使驱动电路获得较大的增益和工作在较宽的频带，减少晶体管VT₁、VT₂在开关状态下的上升和下降时间，该电路的特点是对场效应晶体管VT₃的栅极电容C₁充电，这样产生密勒效应向VT₃提供足够大的开通和关断的电流，使场效应晶体管不产生误动作。

（2）变压器驱动

利用变压器驱动是电子电路最常见的一种驱动方式，对开关电源电路，常用在推挽式和桥式电路。图1-21是利用变压器耦合驱动混合式电路，R₁、R₃是晶体管VT₁集电极电流和场效应晶体管VT₃漏极电流的限流电阻并具有抑制振荡、加速晶体管开关的作用。由于变压器TR的极性关系，场效应晶体管VT₃处于反向工作状态，即VT₃截止时，VT₁导通。图中VT₁、VT₂组成射极跟随器。R₂、R₄是VT₃栅极电位钳制电阻，可防止寄生振荡，并产生电压负反馈。另外，MOSFET在开关电路中得到广泛应用，是因为它的工作频率比较高。但是这样的结果，容易产生寄生振荡，在设计制作开关电源时必须注意：第一，减少MOSFET各接点连接线的长度。第二，由于MOSFET的输入阻抗高，防止电路出现正反馈而引起振荡。开关电路对场效应晶体管的控制实质是对输入电容C_in的充、放电控制，所以驱动电路无需不间断地提供电流，因此要求电源输出内阻要小。第三，MOSFET的栅源极的耐压是有限的，如果输入电压超过了额定值，就会击穿，所以要求输入电压在20～30V之间。

图1-20 晶体管直接驱动MOSFET

图1-21 变压器耦合驱动MOSFET

3.绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的特点及主要参数

绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一种电流控制器件。为了提高IGBT工作频率，设计电路时，工作在准饱和状态，所谓准饱和状态是指工作点在深饱和与放大区之间一个区域。若准饱和区工作电流增益开始下降，但电路依然是源极处于正偏置，漏极处于反偏置，这样开关速度大大提高。

IGBT是一种大电流密度、电压激励场效应控制器件，是美国GE公司于20世纪90年代中期推出的耐高压、大电流模块化可控的第三代产品。它最高耐压可达1800V、电流容量达450A、关断时间低于0.2μs，在电力、通信领域得到广泛应用。

其主要性能如下：

1）电流密度大，是MOSFET的几十倍。

2）输入阻抗高，栅极驱动电流小，驱动电路简单。不需外加限流，防自激振荡，自触发。

3）击穿电压高，安全工作区大，能防止和抑制瞬态干扰时出现的大电流冲击。

4）导通电阻低。在相等的芯片尺寸和相同V（BR）DS的条件下，IGBT的导通电阻R_DS（on）只有MOSFET的10%。

5）开关速度快，关断时间短，损耗低。1kV IGBT，它的关断时间只有1μs，一般关断时间只有0.2μs，开关频率为100kHz时，IGBT的功率损耗只有MOSFET的30%。

IGBT是在MOSFET的PN结层面上再焊接一层PN结，结的层数加多，而且传导面积加大，使P区向N区发射的载流子增多，而且载流子在缓冲区停留的时间缩短，这就是它的电流密度大、击穿电压高、导通电阻低的原因。IGBT与一般晶体管的伏安特性曲线一样，有饱和区、阻断区（截止区）、有源区（放大区），如图1-22所示，同样与晶体管的开关波形相似，如图1-25b所示，MOSFET与IGBT的特性比较如表1-1所示。

图1-22 IGBT伏安特性曲线

表1-1 MOSFET与IGBT的特性比较

图1-23 直接驱动IGBT电路

4.IGBT驱动电路

IGBT驱动方式有隔离式和直接式两种。直接式是驱动电路直接与主电源电路连接。图1-23所示的VT₂、VT₃组成推挽式前置放大器，R₈、C₂组成微分电路，加速IGBT（VT₄）的关断和导通，提高开关速度，降低驱动损耗。图1-24所示为浮动开关晶体管隔离式驱动电路。它的工作过程是这样的：当变压器TR的二次侧出现正脉冲电压V_g时，这时栅极驱动电流I_g1流进驱动IGBT（VT₂）的栅极，使之导通，电阻R₁将流入IGBT的电流限制在额定范围内，集电极电流I_d迅速地给电容C₂充电，充电电压为

V_c=V_g-V_ge-V_d

式中，V_g是变压器二次电压，也称驱动电压；V_ge为IGBT的栅极-发射极的饱和电压；V_d是二极管的正向偏置电压，一般为0.7V。

如果变压器的二次电压为零时，则电容器C₂使VT₂的栅极经电阻R₁、L₂处于正向偏压，使VT₂导通，这时把VT₁的栅极接到负电位，因而栅极电流I_g2得到提高，如图1-24所示。I_g2电流的大小由电容容抗和电路阻抗及IGBT（VT₁、VT₂）的特性来决定。凡是IGBT电路，不管哪种驱动方式，栅极的驱动电流波形极为重要，什么波形为最好呢？好的栅极触发波形，不但是保护好IGBT，使之延长管子的使用寿命，更重要的降低电路电能损耗，提高电源效率。

IGBT输入栅极的脉冲信号，希望是矩形波，跟晶体管基极输入波形一样并且要求上升沿竖直，下降沿陡峭，要求储存时间t_s越短越好。

5.晶体管的开关时间与损耗

晶体管的开关作用与晶体管的放大作用是不同的。放大只是对电流或电压的作用，在共发射极电路中，输出波形与输入波形之间有180°的相位差；而对于晶体管的开关作用，虽然输出与输入波形之间有180°的相位差，但它的波形不是一个正弦波或三角形，而是一个被时间拖延了的矩形波。为了表述它的波形特征，引入了4个时间参数。图1-25所示就是4个时间参数的开关波形。

图1-24 隔离式阻容驱动IGBT电路

图1-25 晶体管的基本开关电路及开关波形

1）延迟时间t_d：从输入信号V_in开始变正起到集电极电流I_C上升到最大值I_CM的10%所需要的时间。

2）上升时间t_r：集电极电流I_C从10%I_CM上升到90%I_CM所需的时间。

3）存储时间t_s：从输入信号V_in开始变负起到集电极电流I_C下降到90%I_CM所需要的时间。

4）下降时间t_f：集电极电流I_C从90%I_CM下降到10%I_CM所需要的时间。

根据实际，晶体管有两个时间参数，即开启时间和关断时间。开启时间为t_on=t_d+t_r，关断时间为t_off=t_s+t_f。在晶体管的4个时间参数中，储存时间最长，它最决定开关速度的主要因素。

晶体管作为开关应用时，在每一个周期内，晶体管工作在3个不同区域，即放大区、饱和区和截止区。因此，晶体管的功率损耗也由3部分构成：

1）通态损耗。当晶体管饱和导通时，虽然有较大的集电极电流I_CES流过管子，但这时晶体管的饱和压降V_CES很小（硅管为0.3V，锗管为0.7V），管子的功率损耗（I_CESV_CES）很小，变化余地不大。

2）断态损耗。当晶体管截止时，虽然V_CE很大，但管子的漏电流I_CEO很小（nA级），此时管子的损耗（V_CEI_CEO）也是非常小的。

3）开关损耗。晶体管由饱和转为截止，或由截止转为饱和时的损耗称为开关损耗。通常，这种损耗也称为渡越损耗。在开启和关闭这两段时间内，晶体管的压降和电流都很大，因此，管耗也较大。对于高频开关电源来说，开关管的渡越损耗占晶体管整个损耗的80%，而且与电路中的参数选择有很大的关系。在开关电源电路中，选用晶体管的依据是型号、集电极-发射极的击穿电压V（BR）CEO、电流增益h_FE、存储时间t_s、下降时间t_f、集电极电流I_C等参数。不同功率的开关电源所用晶体管如表1-2所示。

表1-2 不同功率的开关电源所用晶体管（包括MOSFET）

①PFC为功率因数校正。

1.3.2 软磁铁氧体磁心的特性与选用

软磁铁氧体材料常用在高频变压器、电感、脉冲变压器以及PFC升压电感等中，在开关电源中是一种非常重要的元件。但是，我们不能十分有把握地掌握磁性材料的特性，以及这种特性与温度、频率、气隙等的依赖性和不易测量性。在选择铁氧体时，它不像电子元器件那样可以测量，它的具体的参数、特性曲线在显示测量仪器上也不是一目了然。为什么高频变压器、电感器要自己设计呢？因为所涉及的参数太多，例如电压、电流、温度、频率、电感量、变比、漏感、磁性材料参数、铜损、铁损、交流磁场强度、交流磁感应强度、真空磁导率、矫顽力等十几种参量。铁氧体受到的影响因素多，元器件选用以及电路板上元器件的布置和走线的方式等对此都有影响。对于铁氧体磁心的颜色、绕组的屏蔽是否合适，散热处理是否得当……设计工程师不可能完全无误地为用户生产出好产品。

总之，即使生产商有现货供应，而且也介绍了磁性元件的特性、参数及使用条件等，用户也无法挑选磁性材料。因此，最好的办法是委托设计加工。在设计高频变压器时，必须正确选择磁心材料的特性、形状以及外形尺寸，若选用不当，就会增加损耗、降低效率，严重时输出功率达不到设计要求，甚至不能工作。

1.磁性元件在开关电源中的作用

磁性元件在电源变换中是必需的器件，广泛用于高频振荡变压器、低通滤波电感、电源输出平波电抗器，还有有源功率因数校正升压电感，所有这些作用功能，对变换器的性能质量起着至关重要的作用。当磁心用于变压器时，它起的作用如下：

1）电磁耦合。传递电能，有了磁心，电能传输畅通。

2）实施电气隔离。变压器的一次电压和二次电压是不同电位的电压，有了它，保证变压器在变换电路中的安全，起着高低电压隔离的目的。

3）按使用需要，改变变压器电压比，达到电压升降。

4）由于磁性元件作用，变压器二次大电流整流经过移相，使二次电流输出纹波电压减少。抑制尖峰电压，保护开关管免受冲击电流而损坏，所以常说，磁性变压器有限流作用。

5）开关电源的电子开关，通过充电放电向变压器二次侧不停地传输电能，在这过程中是由于它具有储能，才能释能，储能的大小与磁性元件的饱和磁感应强度以及初始磁导率成正比。另外，由于变压器的一次和二次侧存在电感，很方便地与电路电容构成谐振，谐振波一方面传递电能，改变电流或电压的方向，向负载输出，另一方面也改变电压的等级。所有这些，都是磁性元件在变换过程中所起的作用。但是磁性元件的工况性能是不易完全掌握的，它不像其他电子元器件那样容易测量选择，繁琐的技术数据，分散性、易变性很大的参数，将使制造商挑选者无从下手。因此，只能通过生产实验、科学设计，才能发挥磁性元件最大作用功能。

2.磁性材料的基本特征

开关电源变压器磁心都是运行在低磁场、高频率环境条件下的软磁铁氧体材料，这种磁性材料具有矫顽力低、电阻率高和磁导率高的基本特点。这就意味着，流过变压器绕组的励磁电流会产生较高的磁感应强度，因此，在一定输出功率条件下，可以极大地降低磁心的体积。矫顽力低，磁心的磁滞回环面积就小，这样铁损低。同样，电阻率高、涡流小，铁损也低。但磁性材料的电阻率高，适合用在频率高的航空航天领域里。

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，其单位为安/米（A/m）。磁感应强度是表示磁场作用于磁性物质上的作用力的大小，其单位为特斯拉（T）。温度越高，磁感应强度越低。

2）饱和磁感应强度B_s。磁心在磁场的作用下，当磁场强度H增加时，磁心出现饱和时的B值，称为饱和磁感应强度B_s。

3）初始磁导率_μi。磁性材料在磁化曲线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导率（μ_o=4π×10^-7H/m）。

4）有效磁导率μ_e。磁心在闭合磁路中（不计漏磁），磁心的导磁能力称为有效磁导率。

即

式中，L为绕组的电感量(mH)：为磁路长度与磁心面积之比，是常数。磁导率最大值的800％与最大值的20%的连线跟磁导率等于1的直线的交点相对应的温度称为居里温度。温度越高，初始磁导率也越高，当超过130℃时，初始磁导率为零，如图1-27a所示。

磁心在高频作用下，会产生剩磁，剩磁是产生热磁心的最大原因，热磁是磁心铁损发源地。该磁心这时的工作磁感应强度应为

推导出

式中，f为磁心的工作频率（kHz）；A_e为磁心有效截面积（mm²）；V_s为绕组两端电压（V）；N为绕组匝数。

图1-26 居里温度T_c的定义图

图1-27 磁性材料的特性

6）矫顽力H_c。磁心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）。

7）磁通Φ。磁感应强度与垂直于磁场方向的面积的乘积叫磁通，Φ=BS。

8）磁感应强度B_s。单位面积上所通过磁通的大小叫做磁感应强度（也称为磁通密度），单位为特斯拉（T）。

饱和磁性材料具有良好的开关特性，如用在高频振荡电路里，可以产生优良的振荡波形，这种磁性材料具有近似矩形的磁滞回线（见图1-27b）。这种磁滞回线有明显的饱和点和饱和段，而且它的上下有良好的对称性。近似矩形的磁滞回线在执行脉冲电信号传递时，可使绕组中的电流脉冲波形的前沿陡峭，后沿拖尾短小，能完整地传递各种波形电信号。如果磁心的S矩形曲线在B方向向下被压扁或是向上被拉伸，这种形变曲线的磁心用在开关电源高频变压器上或是用在电子镇流器的脉冲变压器上，将会严重影响变压器的振荡波形，产生信号失真、频率失调、导致开关晶体振荡管温度上升，变压器的铁损和铜损加剧，这对于开关电源的质量极为不利。

矩形磁滞回线是饱和磁性材料一种特殊的曲线。磁滞回线的形状非常重要，在选用磁心时，将被看作一项重要选用磁心的依据，只有用高频铁氧体磁心特性曲线测试仪方可测出。

3.磁心的结构及选用原则

磁心的结构种类繁多、形状各异。铁氧体磁心是开关电源用得比较多的一种材料。图1-28是铁氧体磁心的结构形状。下面对一些主要磁心结构加以说明。

图1-28 铁氧体磁心的结构形状

1）POT是罐形磁心，铜线绕在变压器磁心内，外面由磁铁包围。它的最大优点是导磁感应好，传递电能佳，可大量降低电磁干扰（EMI）；缺点是散热效果极差，温升很高。这种磁心只能用在小功率开关电源上。

2）PM磁心，也叫R形磁心，它结构紧凑、体积小，但电能耦合不是很好，散热性能也不很好，适合用在小功率电源充电器上。

3）RM磁心和X磁心，磁耦合能力和散热性能都比较好，适合用在150W以上的大中功率开关电源上。其缺点是所占空间大，放置比较困难。

4）EC磁心是开关电源常用的一种磁心，磁心的截面积大，散热效果好，常用在150～200W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。

5）EE磁心是一种最常用普通的磁心，对于中小功率变压器来说很适合，磁心截面积的大小在很大程度上决定开关电源的功率。磁心的截面积与输出功率成正比例，磁心截面积越大，输出功率也越大。表1-3是输入功率与EE磁心尺寸对照表，仅供选用时参考。

表1-3 输入功率与EE磁心尺寸的关系

变压器磁心大小取决于输入功率、变压器温升以及工作频率、磁心材料等参量，现将计算公式推出如下：

式中，K为振荡波系数，一般为0.12～0.16；f为工作频率（kHz）；n_P为变压器一次绕组匝数（匝）；I_o为输出电流（A）；A_e为磁心窗口截面积（mm²）；B为磁心的磁感应强度（T），B=2000～3500T。

式中的B是由软磁铁生产厂商给出的，其余由设计工程师根据实际和工作经验给出的。高的电感量可以得到大的输出功率、较小的变压器体积。低铁损、铜损，大大降低温升。对于反激式开关电源的变压器，要考虑变压器绕组储存电能能力。其储存电能能力的大小决定于铁氧体磁心材料的磁感应强度B_m或变压器一次电感量L_P，另一个因数是磁场强度或工作电流。储存电能的计算公式是W_D=L_PI²/2。

选用磁性材料时，要选用饱和的磁性材料。这种材料具有良好的开关特性，可以产生优良的振荡波形，还要求磁心具有近似矩形的磁滞回线，如图1-27b所示。磁性材料的磁滞回线有明显的饱和点和饱和段，而且有良好的对称性。近似矩形的磁滞回线可使绕组中的电流波形前后沿陡峭，能很好地传递各种波形电信号。如果磁心的S矩形曲线在B方向上向下被压扁，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。

磁性材料的使用一定要在一定的居里温度以内，这是首先要考虑的问题，其次是注意磁心的结构、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。在强磁场强度的作用下，磁性材料会收缩或膨胀，很可能会出现磁共振，所以磁心变压器装在印制电路板上时，要注意切实黏接牢固，防止出现机械噪声和电磁噪声。归纳起来如下：

1）选用较低的矫顽力（保磁性）。这是因为矫顽力低，磁滞回环面积小，铁损低。

2）选用较高的电阻率。在一定的工作频率下，磁性材料的涡流损耗与电阻率成反比。为降低磁性元件的损耗，选用磁性材料电阻率在100～800Ω·cm之间。

3）居里温度应足够高。如果磁心材料的居里温度偏低，必然使磁心的温升接近居里温度，这样促使初始磁导率μ_i太低，饱和磁感应强度B_s和电感值急剧下降，使电源的功率开关管温度急剧上升，破坏振荡频率，以致电源无法正常工作。为确保开关电源内部温度远低于磁心的居里温度，宜选用居里温度T_e＞180℃的磁心元件。

4）适中的初始磁导率μ_i。初始磁导率的选取，必须满足居里温度的要求。一般来说，磁导率在4000H/m以上的材料和磁导率低于3000H/m的材料的居里温度一般可达180℃以上。因此，选用μ_i为2000～3000H/m的磁心用作电源变压器和滤波用的电感元件是比较合适的。当然，磁性材料的初始磁导率适当高一些，可以减少变压器绕组的匝数，从而有利于减小分布电容和漏感，达到改善驱动波形。

5）合适的温度系数。有些磁性材料温度在80℃时，呈现负值，即温度升高，铁损反而降低，这种材料对大功率开关电源是非常好的。一般开关推动管的电流增益h_FE随温度升高而增大，若选用具有负温度系数的磁性材料，则抵消了晶体管的h_FE的正温度系数，使开关管工作点保持稳定。

6）恰当的磁感应强度。磁感应强度选高了，将使变压器很快进入饱和，导致变压器温度快速升高而发生烧毁；磁感应强度选低了，使变压器缺少足够的驱动功能，输出功率达不到设计要求。合适的磁感应强度一般在B_s=0.046～0.055T。

1.3.3 光耦合器的特性与选用

光耦合器（Optical Coupler，OC）也叫光隔离器（Optical Isolation，OI），简称为光耦。它是一种以红外光进行信号传递的器件，由两部分组成：一部分是发光体，实际上是一只发光二极管，受输入电流的控制，发出不同强度的红外光；另一部分是受光器，受光器接收光照以后，产生光电流，并从输出端输出。它的光-电反应也是随着光的强弱改变而变化的。这就实现了“电—光—电”功能转换，也就是隔离信号传递。光耦合器的主要优点是单向信号传输，输入端和输出端完全实现了隔离，不受其他任何电气干扰和电磁干扰，具有很强的抗干扰能力。因为它是一种发光体，而且用低电平的电源供电，所以它的使用寿命长，传输效率高，而且体积小，可广泛用于级间耦合、信号传输、电气隔离、电路开关以及电平转换等。在仪器仪表、通信设备及各种电路接口中都应用到了光耦合器。在开关电源电路中，利用光耦合器构成反馈回路，通过光耦合器来调整、控制输出电压，达到稳定输出电压的目的；通过光耦合器进行脉冲转换。

1.光耦合器的分类

光耦合器有多种，根据不同的用途，可选用不同类型的光耦合器。光耦合器有双排直插式、管式、光导纤维式等多种封装，其型号有无基极引线通用型、有基极引线通用型、达林顿型、光电集成电路型、光控晶闸管型等，如图1-29所示。

2.光耦合器的主要参数

光耦合器的主要参数有电流传输比CTR（＞100%）、绝缘电压V_DC（＞1550V）、最大正向电流I_FM（＞60mA）、反向击穿电压V（BR）CEO（>30V）、饱和压降V_CES（＜0.3V）、暗电流I_R（=50μA）。在这些参数里，前两个参数比较重要，设计电路时也要考虑I_FM和V_CES。

3.光耦合器的检测

根据光耦合器的结构和内部电路，可用万用表的R×1k挡测量发光二极管的正、反向电阻，其中正向电阻为2kΩ左右，反向电阻为无穷大；接收晶体管CE极的电阻为无穷大。绝缘电阻可用2500V的ZC11-5型绝缘电阻表进行测量，若测得的绝缘电阻大于10¹⁰Ω，证明质量很好。

图1-29 光耦合器的类型及内部结构

NEC-2501的引脚排列如图1-30所示。靠近黑圆点的为第一脚，它是发光二极管的正极，然后按反时针数各个脚位。电流传输比CTR是光耦合器的重要参数，在接收管的输出保持不变时，它的输出电流I_o与输入电流I_i之比就是传输比，CTR=I_o/I_i×100%。如PC817的传输比为80%～160%，4N30为100%～5000%。可见，4N30只需要较小的输入电流，就可以变换输出为较大的电流，具有放大作用，因此选择合适的电压或电流传输信号而且呈线性关系是很重要的。

4.选取原则

图1-30 NEC-2501光耦合器

正确选用光耦合器的型号及参数的原则如下：

1）电流传输比CTR的允许选取范围是100%～200%。当CTR为80%时，光耦合器中的发光二极管需要较大的工作电流（＞5.0mA）才能控制电路的占空比。这样做的结果是增加了光耦合器的功耗。当CTR＞250%时，若启动电流或输出负载发生突变，有可能发生误触发，即误关断，影响正常工作。

2）要采用线性良好的光耦合器。因为光耦合器具有良好的线性时，电源控制调整十分有序，输出稳定可靠。常用线性光耦合器的型号及主要参数见表1-4。

表1-4 线性光耦合器的型号及主要参数

1.3.4 二极管的特性与选用

二极管在电子电路中用得较多，功能各异。从结构上来分，有点接触型和面接触型二极管。面接触型二极管的工作电流比较大，发热比较厉害，它的最高工作温度不允许超过100℃。按照功能来分，有快速恢复及超快速恢复二极管、整流二极管、稳压二极管及开关二极管等。下面谈谈各种二极管的特点及检测方法。

1.开关二极管

开关二极管用在高速运行的电子电路中，起信号传输作用，在模拟电路中起钳位抑制作用。高速开关硅二极管是高频开关电源中的一个主要器件，这种二极管具有良好的高频开关特性。它的反向恢复时间t_rr只有几纳秒，而且体积小、价格低。在开关电源的过电压保护、反馈控制系统中常用到硅二极管，如1N4148、1N4448。

硅二极管的主要技术指标如下：

1）最高反向工作电压V_RM和反向击穿电压V_BR：这两个参数越大越好。

2）最大管压降V_FM：小于0.8V。

3）最大工作电流I_d：大于150mA。

4）反向恢复时间t_rr：小于50ns。

2.稳压二极管

稳压二极管又叫齐纳二极管（Zener Diode），具有单向导电性。它工作在电压反向击穿状态。当反向电压达到并超过稳定电压时，反向电流突然增大，而二极管两端的电压恒定，这就叫做稳压。它在电子电路中用作过电压保护、电平转换，也可用来提供基准电压。

稳压二极管分为低压和高压两种。稳压值低于40V的叫做低压稳压二极管；高于200V的叫做高压稳压二极管。现在市面上2.4～200V各种型号规格齐全。稳压二极管的直径一般只有2mm，长度为4mm。它的稳压性能好、体积小、价格便宜。稳压二极管从材料上分为N型和P型两种。选用稳压二极管的原则是：第一，注意稳定电压的标称值；第二，注意电压温度系数。

稳压二极管具有如下作用：第一，对漏极和源极进行钳位保护，如图1-31a所示；第二，起到加速开关管导通的作用，如图1-31b所示；第三，在开关电源中常用高压稳压二极管代替瞬态电压抑制器（TVS）对一次回路中产生的尖锋电压进行钳位；第四，在晶体管反馈回路中，常常在晶体管的发射极串联一只稳压二极管作为电压负反馈，提高放大电路的稳定性。

图1-31 稳压二极管的作用

稳压二极管的主要参数如下：

1）稳定电压V_Z。设计人员根据需要选用。

2）稳定电流I_Z。

3）温度系数α_t。温度越高，稳压误差越大。

表1-5列出了常用稳压二极管的型号及主要参数。

表1-5 稳压二极管的型号及主要参数

3.快速恢复及超快速恢复二极管

快速恢复二极管（Fast Recovery Diode，FRD）和超快速恢复二极管（Superfast Recovery Diode，SRD）是很多电子设备中常用的器件，在开关电源中也经常用到。这两种二极管具有开关特性好、耐压高、正向电流大、体积小等优点，常用在电子镇流器、不间断电源、变频电源、高频微波炉等设备的整流、续流、限流等电路中。

它的性能指标特点如下：

1）反向恢复时间t_rr：通过二极管的电流由零点正向转反向后，再由反向转换到规定值的时间。在图1-32中，I_F是正向电流，I_RM为最大反向恢复电流，I_rr为反向恢复电流。规定I_rr=0.1I_RM，当t≤t_o时，正向电流I=I_F。当t＞t_o时，由于整流二极管的正向电压突变为反向电压，正向电流迅速减小。在t=t₁时，I=0，整流二极管上的反向电流I_R逐渐增大，在t=t₂时达到最大反向恢复电流I_RM。以后在正向电压的作用下，反向电流逐渐减小，在t=t₃时达到规定值I_rr。从t₁到t₃的时间为反恢复时间。

图1-32 超快速恢复二极管反向 恢复电流的波形

2）平均整流电流I_d：这是选用二极管的又一个主要指标。一般来说，选用管子的整流电流是设计输出电流的3倍以上。

3）恢复和快速恢复二极管有3种结构，即单管、共阴极对管和共阳极对管。所谓共阴极、共阳极是指两只二极管接法不同。

检测方法及选用原则如下：

1）检测方法：利用万用表的电阻挡或数字万用表的二极管检测挡，能够检查二极管的单向导电性，并测出正向导通压降；用绝缘电阻表能测出反向击穿电压。一般正向电阻为6Ω，反向电阻为无穷大，可从读出的负载电压计算出正向导通压降。

2）选用原则：超快速恢复二极管在开关电源中可作为阻塞二极管和二次侧输出电压的整流二极管。超快速恢复二极管的反向恢复时间在20～50ns之间；整流电流I_d为最大输出电流I_OM的3倍以上，即I_d＞3I_OM；最高反向工作电压V_RM为最大反向峰值电压V（BR）S的2倍以上，即V_RM＞2V（BR）S。常用超快速恢复二极管的型号及主要参数见表1-6。

表1-6 常用超快速恢复二极管的型号及主要参数

（续）

4.肖特基二极管

肖特基二极管（Schottky Barrier Diode，SBD）是一种N型半导体器件，工作在低电压、大电流状态下，反向恢复时间极短，只有几纳秒，正向导通压降为0.4V，而整流电流达数百安。它是最近在开关电源中应用得最多的一种器件。区分肖特基二极管和超快速恢复二极管的方法是两者的正向压降不同，肖特基二极管的正向压降是0.4V，超快速恢复二极管的正向压降是0.6V。值得注意的是：肖特基二极管的最高反向工作电压一般不超过100V，它适合用在低电压、大电流的开关电源中。表1-7给出了肖特基二极管的型号及主要参数。

表1-7 肖特基二极管的型号及主要参数

5.瞬态电压抑制器

瞬态电压抑制器（Transient Voltage Suppressor，TVS）是一种电压保护器件。由于它在电路中的响应速度快、体积小、价格低，在开关电源和其他一些家用电器中得到了应用。瞬态电压抑制器是一种用硅材料制成的器件，它跟硅整流二极管一样都具有PN结；封装形式有DO-41、A27K、A37K；在75℃温度下额定脉冲功率为2W、5W、15W；在25℃温度下承受的浪涌电流达到50A、80A、200A；最大功率可达60kW，承受瞬态高能电压（如浪涌电压、雷电干扰尖峰电压）时，能迅速反向击穿，由高阻态变为低阻态，把干扰脉冲钳位到规定值，使设备不受外界条件影响，保护设备安全。

TVS有单向瞬态电压抑制和双向瞬态电压抑制两种。它的主要技术指标有：反向击穿电压V_B（这是选择时首先考虑的参数）、脉冲电流I_P（如果选小了，TVS将会击穿）、钳位时间（越短，安全性越好，一般仅为1ns）。如果反向电压达不到，可以用两只或三只TVS串联起来使用。表1-8给出了TVS的型号及主要参数。

表1-8 TVS的型号及主要参数

注：V_B为反向击穿电压；P_P为峰值功率；I_T为测试电流；V_R为反向漏电电压；I_R为反向漏电电流；I_P为脉冲电流；α_t为温度系数。

1.3.5 自动恢复开关的特性与选用

自动恢复开关（Resettable Switching，RS）又叫自动恢复熔丝，它是一种过电流保护器件。当电路发生短路或用电电流超过极限值时，它起保护作用。它具有开关特性好、使用安全、不需维护、可自动恢复、可反复使用等特点。自动恢复开关的类型及安装方式如表1-9所示。

表1-9 自动恢复开关的类型及安装方式

1.工作原理

自动恢复开关是由高分子晶状聚合物和导电链构成的，它将聚合物紧密束缚在导电链上，在常态下它的电阻值非常低，只有0.2Ω，工作电流通过开关时功耗也很小，它所产生的热量很少，不改变聚合物内部的晶状结构。当电路电流超过最大设计值或发生短路故障时，电流增加，导电链产生的热量使聚合物从晶体状态变为非晶体状态，原来被束缚的导电链自动分离断裂，它的内阻迅速增加至数千欧，使电路进入开路状态，立即将电路电流切断，对电路起到保护作用。当故障排除以后，它又能很快恢复到低电阻状态。这种可持续性的转换器件能反复使用而不损坏。自动恢复开关可在家用电器、计算机、通信设备以及开关电源上用作过电流保护。通常，将自动恢复开关串接在低压直流输出端，此时交流输入端的熔断器可省去。这里应特别注意：自动恢复开关只能进行低压过电流保护，而不能接在220V或110V交流电压上，否则将使开关烧坏。荧光灯断路或漏气时，镇流器的工作电流是正常工作电流的3倍以上，这时只要在镇流器的输出端与灯之间的电路中串联一只自动恢复开关，就能非常有效地进行过电流保护，提高电子镇流器的可靠性。

2.检测方法和选用原则

（1）电阻检查

用数字万用表的电阻挡直接测量它的直流电阻，电阻值越小，自动恢复开关的容量越大。它的阻值范围见表1-10。

表1-10 自动恢复开关的阻值

（2）过电流后自动恢复能力的检查

在直流稳压电源输出端，将自动恢复开关与电流表串联，要求稳压电源的输出电流必须大于自动恢复开关的电流容量I_H。稳压电源的输出电压从零开始逐渐升高，这时注意电流表的电流读数也在不断增加。当稳压电源的输出电流接近或超过自动恢复开关的电流容量时，电流表上的电流读数突然减小，此时自动恢复开关已进入高阻抗状态。关断电源后，稳压电源的输出电压又从零点几伏开始上升。观察电流表，如果一段时间后电流表上的电流读数升到一定值，这段时间就是自动恢复开关的自动恢复时间。自动恢复开关的选用原则如下：

1）根据设计电路的平均工作电流、工作电压，依照表1-9选择器件的类型和安装方式。

2）将工作电流换算成器件的动作电流，见表1-11。

表1-11 不同环境温度下的电流换算率

3）根据最高工作电压V_max、最大电流I_max、最大功耗P_Dmax、最小电阻R_min、最大电阻R_max选择合适的自动恢复开关。miniSMD产品的规格见表1-12。

表1-12 miniSMD产品的规格

如：某电子设备的工作电流为0.1A，电压为3.3V，环境温度T_A=40℃，选用miniSMD自动恢复开关。查表1-11可知，40℃时的换算率为87%，所以I_H=0.1/87%A≈0.115A，可选miniSMD020。由图1-33可知，miniSMD020的短路电流达2A，其动作时间为0.2s。

1.3.6 热敏电阻的特性与选用

热敏电阻是由锰钴镍的氧化物烧结而成的半导体陶瓷制成的，具有负温度系数，随着温度的升高，其电阻值降低。热敏电阻的主要参数如下：

1）R_T0：零功率电阻值，表示室温为25℃时的电阻值。

图1-33 短路电流

2）α_T：零功率电阻温度系数，表示零功率下温度每变化1℃所引起电阻值的相对变化率（%/℃）。

3）δ：耗散系数，指热敏电阻的温度每变化1℃所消耗功率的相对变化量（mW/℃）。

热敏电阻在开关电源中起过热保护和软启动的作用。过热保护时将热敏电阻并接在输入电路中。刚启动时，温度低，电阻值高，相当于开路。如果电路输入电压超高，热敏电阻就会发热，其电阻值降低，对输入电流分流。当发热超过极限值时，整流后的输出电压降低，开关电源高频振荡停振，或是由于热敏电阻阻值降低后，将电路熔丝熔断，电路与供电电源断开，起到热保护作用，如图1-34所示。所谓软启动是指电源刚通电时，因滤波电容C的电压不能突变，容抗趋于零，瞬时对电容充电的电流很大，容易损坏电解电容。为了解决这一问题，一般是在电路中串联几欧姆的电阻，在启动瞬间对电流加以限制。但是，由于电阻功耗上升，电源效率下降。如果将电阻换为热敏电阻，就可解决这一问题。电路刚通电时，热敏电阻的温度低，阻值很大，瞬时能对充电电流加以限制。随着电流通过发出热量，热敏电阻的阻值迅速减小，启动成功，功耗降低。这就是热敏电阻限流软启动的作用。热敏电阻的型号及主要参数见表1-13。

图1-34 NTC软启动电路

表1-13 热敏电阻的型号及主要参数

1.3.7 TL431精密稳压源的特性与选用

TL431是由美国德州仪器（TI）公司和摩托罗拉（Motorola）公司联合生产的，为2.50～36V可调式精密并联稳压源，广泛用于开关电源、电子仪器和各种检测仪表中。在电子电路中，TL431可以用来设计延时电路、电压比较器、精密恒流源、大电流稳压源等；在开关电源中，可构成外部误差放大器，再与光耦合器组成隔离式反馈电路，使电源电压稳定输出。

1.TL431的性能特点

TL431共有以下几种型号：TL431C、TL431AC、TL431I、TL431M、TL431Y。它们的内部结构一样，只是技术指标有点差异，其特点如下：

1）动态阻抗低，典型值为0.2Ω；输出噪声低。

2）阴极工作电压范围是2.50～36V，极限值为37V；阴极工作电流I_AK=1～100mA，极限值为150mA；额定功率为1W，T_A＞25℃时，则按8.0mW/℃的规律递减。

2.TL431的工作原理

TL431的基本电路接线如图1-35所示。它相当于一只可调节的齐纳稳压二极管，输出电压由外部的R₁、R₂来设定，V_o=V_KA=（1+R₁/R₂）V_REF。R₃是限流电阻，V_REF是常态下的基准稳压端（电压V_REF为2.5V）。图1-36所示是TL431的等效电路，它主要由误差放大器A、外接电阻分压器上所得到的取样电压、2.50V基准稳压源V_REF、NPN型晶体管VT（用以调节负载电流）和保护二极管VD（防止A、K间极性接反，起保护作用）组成。TL431的工作原理是这样的：当输出电压V_o上升时，取样电压V_sample也随之上升，使取样电压大于基准电压V_REF，致使晶体管VT导通，其集电极电位下降，即输出电压V_o下降。

图1-35 TL431的基本电路接线

图1-36 TL431的等效电路

3.TL431的应用

（1）TL431能实现可调的输出电压

如图1-37所示，将L7805三端稳压器接在TL431的阴极上，调节R₁来改变输出电压。输出电压的大小仍用上述公式计算，最低输出电压V_omin=V_REF+5V=2.5+5V=7.5V，最高输出电压是L7805的输出电压的最大值35V加上V_REF，所以V_omax=35V+2.5V=37.5V。

（2）可以制成输出电压为5V、电流为1.5A的精密稳压源

如图1-38所示，将TL431接在LM317三端稳压器的调整端与地之间。LM317的静态工作电流只有50μA，小于1mA，无法为TL431提供正常的阴极电流。在电路中加入R₃后，输出电压V_o经R₃向TL431的阴极提供电流I_KA，保证TL431正常工作。图1-39所示是大电流并联稳压电路。

图1-37 可调输出电压

图1-38 大电流稳压电路

图1-39 大电流并联稳压电路

4.TL431的检测方法

利用万用表的电阻挡可以检测TL431质量的好坏。从等效电路图知道，TL431实际上是一只二极管，因此A、K之间呈现出单向导电的特性。选用R×1k挡，黑表笔接K极，红表笔接A极，这时测量出的电阻为无穷大；调换表笔后测出的电阻为5kΩ左右。再用黑表笔接V_REF极，红表笔接K极，这时显示电阻为7.5kΩ，具体见表1-14。

表1-14 TL431的检测方法

1.3.8 压敏电阻的特性与选用

压敏电阻是在某一特定的电压范围内，随着电压的增加，电流急剧增大的敏感元件。它常并联在两根交流电压输入线之间，置于熔丝之后的输入回路中。压敏电阻的种类很多，其中具有代表性的是氧化锌压敏电阻。用作交流电压浪涌吸收器时，压敏电阻具有正反向对称的伏安特性，如图1-40所示。在一定的电压范围内，其阻抗接近于开路状态，只有很小的漏电流（微安级）通过，故功耗甚微。当电压达到一定值后，通过压敏电阻的电流陡然增大，而且不会引起电流上升速率的增加，也不会产生续流和放电延迟现象。压敏电阻的瞬时功率比较大，但平均持续功率却很小，所以不能长时间工作于导通状态，否则有损坏的危险。

开关电源交流输入电压一旦因电网附近的电感性开关或雷电等原因而产生高压尖峰脉冲干扰，或因错相而引入380V的瞬变电压，具有可变电阻作用的压敏电阻就从高阻关断状态立即转入低阻导通状态，瞬间流过大电流，将高压尖峰脉冲或市电过电压吸收、削波和限幅，从而使输入电压达到安全值。当压敏电阻中通过大电流时，往往还会熔断熔丝，这就避免了对开关电源中的电子元器件造成致命的损坏。选用压敏电阻时，要注意压敏电压和通流容量两个参数的选取。压敏电压即标称电压，是指压敏电阻在一定的温度范围内和规定电流（通常是1mA或0.1mA）下的电压降。压敏电阻的标称电压必须高于实际电路的电压值。当输入电压为220V（有效值）时，压敏电阻的压敏电压一般不小于220V×3≈380V，实际上选用400V。压敏电阻的通流容量通常表示其承受浪涌的能力。为了不影响压敏电阻的使用寿命，对通流容量的选取应留有充分的裕量。

压敏电阻的外形与普通金属膜电阻一样。在常温下测试时，它的阻值为几百千欧，甚至为兆欧级。压敏电阻损坏后，必须用相同规格的产品进行更换，千万不可用普通电阻替换。

图1-40 压敏电阻的伏安特性曲线

1.3.9 电容器的特性与选用

1.陶瓷电容

（1）概述

陶瓷电容因为体积小、寿命长、使用频率高等优点，在开关电源中应用比较多。陶瓷电容也叫瓷介电容，它的介质是一种天然物质陶瓷。陶瓷电容器有多种结构形式，其原理大体一样，主要是根据陶瓷的理化性质严格控制陶瓷片的厚度、面积、光滑度和平整度，然后经过现代技术进行精细加工而成。陶瓷的种类很多，根据成分不同，可分为钛康陶瓷、热康陶瓷及钛酸钡陶瓷等，钛康材料的介电常数较高，具有负温度系数。热康材料的介电常数较低，负温度系数较小，电容的稳定性好。偏钛酸钡材料介电常数最高，温度系数也很大，电容器的稳定性很差，一般高新电子产品不用这种电容。陶瓷电容在开关电源电路中常用来抑制共态噪声，常接在电路与地之间，即Y电容，如图1-41所示。

（2）陶瓷电容在电路中的作用

一般说，电容有隔直流信号，传递交流信号的作用，它对防止和滤除噪波、高频电磁干扰和稳定电气性能起着十分重要的作用，陶瓷电容在电子电路中起如下的作用：

1）平滑纹波电流。开关电源输出电能，都是脉动直流，电流纹波较大，开关电路常采用大电容量的电解电容，随着开关电源的高频化与小型化，对电源输出参数要求也越来越高，目前均已采用叠层陶瓷电容，这种电容器的内部采用镍，经过碳膜化高温处理使电容量、耐电压等级及漏电流降低得到极大的改善。叠层陶瓷电容的容抗跟铝电解电容相比非常小，在电路中用作平滑纹波的效果非常好，电容自身的发热量很低，对输出100～500kHz的纹波电流的平滑度有显著提高。一般来说，铝电解电容随着使用时间的延长，它的电容量随电解质干涸而减小，而陶瓷电容的电容量几乎不随时间变化。

2）旁路噪声干扰。为了阻止噪声由输出回路进入负载或者低频电磁波由输入电路进入电源，一般在电路中接入陶瓷电容，用它来抑制正态噪声和用于低通滤波。这种作用的电容称为旁路电容，它配接在主电路的输出电路中，其旁路效果比较好。这种电容的电容量一般为220～3300pF，耐压范围视电路作用而定，一般为500V～1.2kV。

3）滤除噪声。开关电源的输入回路常接有交流电路滤波器，它的作用是滤除外部噪声的进入与内部噪声的传出，这种滤除噪声的电容都用陶瓷电容。接在电源进线的电容，抑制噪声的频率较低，所需的电容量较大，耐压为275V，称它为X电容，如图1-41所示。

（3）陶瓷电容的特点

1）结构简单，加工生产工艺要求不高，原料丰富，价格便宜。

2）电容的绝缘性能强，绝缘电阻大，可制成耐压很高的电容，能耐压高达2kV。

图1-41 电容在开关电源的位置

3）具有良好的耐热性，有耐高温的特点，可在高达500～600℃的条件下正常稳定工作。

4）温度系数范围很宽，可以生产出不同温度系数的电容，以适用于不同的场合。

5）陶瓷电容还有耐酸、耐碱、耐盐的特点，若受水的侵蚀，也能长期正常地工作，不易老化。

6）陶瓷材料的介电系数很大，一般从几十皮法到数百皮法，有的介电系数高达几千皮法，这使得瓷介电容器的体积可以做得很小，如果采用多叠层的方式，电容器的容量可扩展很大。

7）陶瓷电容的瓷介质材料不可以卷曲，电容器本身不带电感性，这样生产出来的陶瓷电容高频特性较高，广泛用于航天通信。

8）陶瓷电容的损耗角正切值与频率的关系很小，损耗值不随频率的升高而上升。但是，它的机械强度低，容易破裂损坏。

2.薄膜电容

（1）概述

有机薄膜就是塑料薄膜，以有机介质材料制造的电容就是薄膜电容。

薄膜电容有十几种，有聚苯乙烯电容、聚四氟乙烯电容、聚酯（涤纶）电容、聚丙烯电容等。聚苯乙烯电容器的种类很多，CB10型、CB11型为普通聚苯乙烯电容器，CB14型、CB15型为精密聚苯乙烯电容器。聚四氟乙烯电容器使用的材料价格昂贵，生产成本高，通常只在特殊场合选用这种电容器，例如高温、高绝缘、高频电路中使用。聚酯电容器就是涤纶电容，它性能稳定、体积小，常常被用在高级电子设备中。

（2）薄膜电容在电路中的作用

薄膜电容有很多优点，被广泛用于开关电源电路中。

1）抑制正态噪声。电源输入回路的低频噪声波以及电磁杂波，是一种频率低于5MHz的干扰信号，抑制这种信号的能力，就是电子设备电磁兼容性（EMC）指标的高低，要保证电子设备既不受周围环境噪声的影响，也不能对周围设备产生干扰，图1-41中的C₁、C₄以及C₂、C₃、L、C₅、C6将起着决定性作用，C₁、C₄与交流输入线并接，抑制正态噪声叫X电容，C₂、C₃、C₅、C6接在输入线与地之间称Y电容，也起着抑制正态噪声的作用，这里的元件既可以用陶瓷电容，也可以用薄膜电容。抑制正态噪声的Y电容的选用，要注意电容的额定值，其次是漏电流。

2）用作电路充放电。很多电子电路为了加速晶体管的导通和截止，一般在晶体管的基极串联由电容、电阻组成的RC微分电路，C就是加速充电电容。用于晶闸管的高压点火过程中，它将电容器的充电电能输入到变压器的一次侧，经变压器耦合升压，使它的二次侧获得高压，进行重复点火，如火箭发射起飞等，都是采用光放电原理。

3）抑制共模干扰。共模干扰和差模干扰是开关电源防止干扰常见的一种物理现象，这种干扰不但幅值高、能量大，而且对电源有破坏性的损害作用，只有聚四氟乙烯薄膜电容才能抑制这种干扰。图1-41中的C₁₀就是为抑制这种干扰而设计的。

（3）薄膜电容的特性

1）耐压范围宽。薄膜电容一般耐压范围在30V～15kV内。普通聚苯乙烯电容的额定电压为100V；高压型聚苯乙烯电容的工作电压可高达40kV，专供高压电子设备使用。

2）绝缘电阻高。聚苯乙烯电容的容抗一般大于10¹¹Ω，所以它的漏电流很小，电容在充电后静置1000h，仍能保持95%以上的电荷。而纸介质电容充电后静置200h，充电电荷量几乎全部放完。所以聚苯乙烯电容广泛用于航空航天、金属冶炼及超低温寒冷环境。

3）电容器的损耗很小，通常tanδ=5×10^-4～12×10^-4，所以用在高频电路或要求绝缘电阻很大的电子产品里。

4）电容的制造工艺简单，用于制造电容的材料丰富，而且电容的容量范围宽，一般可生产的容量为50pF～500μF。

5）制造出的电容精度很高，这是因为金属膜聚苯乙烯的厚度、平整度和均匀度容易控制。电容器的误差等级为±1%、±2%和±5%。特殊需要时，电容器的误差可控制到±0.3%，甚至±0.1%。

6）聚苯乙烯电容的温度系数极小，一般为-70×10^-6～200×10^-6（1/℃）。电容在电路中工作极为稳定，但是工作温度不能超过100℃，否则电容的损耗加大。抗酸碱、耐腐蚀、耐潮湿也是聚苯乙烯电容的一大优点。当电容器两片极板因电压过高而将局部击穿时，聚苯乙烯金属膜层能使击穿点的金属层面恢复到击穿点之外，从而达到自愈，能消除因击穿造成的短路，保证了电路安全。

3.铝电解电容

铝电解电容也是由极板和绝缘介质组成的。它的绝缘介质一般是铝酸溶液。铝电解电容是在开关电源电路里使用比较多的一种元件，它的质量好坏也是整个电源质量好坏的关键。如果对它的功能特性、选用原则不十分了解，很难在电子设备中发挥它的作用，甚至可能起到相反的作用。设计工程师必须把握铝电解电容的电气参数与性能特点，才能正确地设计出高品质开关电源和其他电子产品。

（1）铝电解电容的功能特性

铝电解电容和其他电容一样，也有传递电能、滤除交流的作用。常常由于温度、湿度、工作电压以及频率的影响，使电容的寿命、效果发生质的变化，因此，提高铝电解电容的质量、缩小体积是所有生产厂家主攻的难题。他们在生产工艺上采用了许多新技术，其中有扩大电极箔的蚀刻倍率、开发耐热性能好的高电导率电解液；提高电解体隔膜的化学性能和热稳定性；采用高气密性、耐腐蚀、耐高温的封口材料；对生产工艺和监测环节采用全程自动化跟踪生产，以提高产品的质量。影响铝电解电容器的是温度和随着时间而延长的电解液的导电性能，它们影响铝电解电容的工作电压和体积的蚀刻倍率，因此增大电解体的有效表面积，增大电极箔的单位面积，是增加电容静电容量，提高电容极片的耐压等级的主要手段。

铝电解电容的电解液是通过高沸点溶液媒介和电离子离解度物质溶合并添加高温稳定剂而成的。电解电容的封口衬垫用来控制电容里的电解质溶液挥发而设定，衬垫材料的选择对电容的寿命至关重要。铝电解电容的性能主要决定于电解液的性能、阳极箔蚀刻倍率以及封口材料等因素。

（2）铝电解电容的电气参数

1）额定工作电压。铝电解电容的额定（直流）工作电压是衡量电容动态品质重要参数，如果电路施加在电容的最高峰电压高于电容的额定电压，电容器的漏电流将增大，传递电能的能力将下降，电气特性将会破坏，严重超压时，在很短的时间使电容爆裂损坏。

2）标称静电容量及允许偏差。开关电源整流滤波的电容量较大，而且是随着输出功率的变化而改变的，它是为减小整流后的电压纹波而设立的，起着平波作用。在电容的额定电压一定时，电容的容量越大，体积越大，价格也越高。如果滤波电解电容量太小，不仅对直流纹波电压起不到滤波的作用，还会引起开关管的损坏，很可能会导致输出波峰电流超过安全标准。开关电源对电解电容器容量偏差有严格的要求，一般允许偏差±10%，高级的电源为±5%。

3）使用温度范围。开关电源的温升一般只能达到60℃，由于电源胶壳内部空间有限，元器件排列拥挤，散热条件较差，当环境温度超过35℃时，开关电源壳内温升超过80℃，加上电解电容器自身的热量，电容表面温度会超过90℃，这对电解电容器的质量是一个很大考验。从可靠性和安全性考虑，注意电容器所标明的温度范围。除此以外，还要注意电容器内部电解液受温度影响，通过封口，从缝隙可看到漏逃逸的程度。还要求具有防爆装置。

4）漏电流。漏电流是所有电容的一个重要技术指标，如果漏电流偏大，电容的容量将随着时间的延长急剧减小，使寿命也越来越短，对整个电源的使用时间产生重大影响，铝电解电容将漏电流视为生命电流，可见漏电流的大小非同一般。

5）损耗角正切值。电容的损耗角正切值是电容容抗的一种表述，电子电路有阻抗、容抗和感抗，统称为电抗，损耗角正切是功率损耗一个参量。

6）耐高频脉冲电流能力。任何一只电解电容，把它视为一个理想的电容器电抗与一只电阻串联，当开关电源采用APFC电路时，要求APFC变换器输出的滤波电容不仅能承受400V以上的直流高压，而且还必须能通100kHz以上的脉冲电流，这种高频脉冲电流在对电解电容进行充放电的过程中，将会产生大量的热耗损失，并使电解电容温度升高，这种温升的高低，就是ESR技术指标，ESR越小，电容器耐高频脉冲电流的能力越强。

7）高温储存特性。电解电容放在105℃的无负载的环境中，经过720h，再骤降至25℃，电容器的静电容量的变化率在初始值±15%以内；额定电流等于初始规定值；电容的漏电电流不发生明显的改变。

（3）铝电解电容的选用

根据开关电源电路各个回路工作区域的不同，结合铝电解电容的功能特性和技术参数，对铝电解电容的选用作如下规定：

1）额定工作电压的确定。对于交流输入用于单个电容器直流滤波，则要求电解电容器的耐压不低于最高输入电压的2倍。如果开关电源采用升压式有源功率因数校正（APFC）输出滤波电容器，要求电容器的耐压不低于输入电压最大值的2.8倍。其他用于滤波的电容耐压大于1.2倍的输出电压。

2）电容容量选择计算。滤波用电解电容器的容量大一些，有利于减小直流电压的纹波，对电源桥式整流输出的脉动电压有稳压作用，使开关功率管在工作区域里，发挥最大的脉冲调制和功率驱动作用，其电容容量的大小与输出功率有一定关系，对于5～10W的开关电源，用电解电容按1.47μF/W计算选用；对于10～50W的开关电源，按2.0μF/W的容量计算选用；对于50～100W的开关电源，按2.5μF/W的容量计算选用；对100～150W的开关电源，按3.0μF/W的容量计算选用。值得注意的是，有些开关源的功率因数和电源的谐波含量达不到技术指标，设计工程师不知所措，其原因就是电源滤波电容容量太小所致。电解电容静电容的允许偏差一般选用±10%，要求高的开关电源可选用±5%。

3）电容器使用温度的考虑。开关电源所有的元器件都处在比较高的温度环境下工作，电解电容属于高发热元件，仅次于振荡变压器和开关功率管，如果电解电容的标称温度选用低了，不但是降低了开关电源技术指标，还使电源的使用寿命大大缩短，严重时将会产生爆炸。因此，从可靠性与安全性考虑，电解电容必须选用-25～105℃的高温型铝质电容。对直径大于8mm的中高压高温型铝电解电容，要求具有防爆结构或防爆装置。

4）漏电流的估算与测试。如果电解电容的漏电流偏大，电容会发生早期失效，开关电源的输出电压偏低，波动加大，这是常见的现象。在选用时，对电容必须进行测试。如果没有电容参数测试仪，可用普通万用表R×1k电阻挡进行测量，指针偏离越大，接近“0”停留时间越长，说明电容越大，然后，缓慢回到“∞”位置，距离“∞”位置越近，则漏电流越小，相反漏电流越大。除此以外，还可对电解电容漏电流估算：当电容C=33μF时，其漏电流I_d≤0.02CV；当C≥49μF时，I_d≤3。C是电容容量，单位是μF，V的单位是V。

总之，选择铝电解电容器时要考虑电容的额定容量，其次是耐压，再次是标称温度，最后是漏电流。

凡是能经受住各种试验检验的铝电解电容器，在实际应用中很少会损坏。铝电解电容器在高频电路中的选用类别见表1-15。

表1-15 适用于高频电路的铝电解电容器的类别