【开关电源】电容的功率损耗及计算方法-KIA MOS管

电容的功率损耗

电容在开关电源电路中主要起稳压、滤除输入/输出噪声的作用。与理想的电容模型不同，电容元件的实际物理特性导致损耗的产生，电容的这些损耗降低了开关电源的效率。这些损耗主要表现在三个方面：串联电阻损耗、漏电流损耗和电介质损耗。

（1）等效串联电阻损耗：由于电流在每个开关周期流入、流出电容，电容固有的电阻(RC)将造成一定功耗。

（2）漏电流损耗：由于电容绝缘材料的电阻(R_L)导致较小电流流过电容而产生的功率损耗。

（3）电介质损耗：由于电容两端施加了交流电压，电容电场发生变化，从而使电介质分子极化造成功率损耗，此项比较复杂。

图 实际的电容等效模型

三种损耗都体现在电容的典型损耗模型中(图左边部分)，用电阻代表每项损耗。与电容储能相关的每项损耗的功率用功耗系数(DF)表示，或损耗角正切(δ)。每项损耗的 DF 可以通过由电容阻抗的实部与虚部比得到，可以将每项损耗分别插入模型中。

为简化损耗模型，图中的串联电阻损耗、漏电流损耗和电介质损耗集中等为一个等效串联电阻(ESR)。ESR 定义为电容阻抗中消耗有功功率的部分。

推算电容阻抗模型、计算 ESR(结果的实部)时，ESR 是频率的函数。这种相关性可以在下面简化的 ESR 等式中得到证明：

式中，DF_R、DF_L和 DF_D是串联电阻、漏电流和电介质损耗的功耗系数。

利用这个等式，我们可以观察到随着信号频率的增加，漏电流损耗和电介质损耗都有所减小，直到串联电阻损耗从一个较高频点开始占主导地位。在该频点(式中没有包括该参数)以上，ESR 因为高频交流电流的趋肤效应趋于增大。

许多电容制造商提供 ESR 曲线图表示 ESR 与频率的关系。例如，TDK 为其大多数电容产品提供了 ESR 曲线，参考这些与开关频率对应曲线图，得到 ESR 值。

然而，如果没有 ESR 曲线图，可以通过电容数据资料中的 DF 规格粗略估算 ESR。DF 是电容的整体 DF (包括所有损耗)，也可以按照下式估算 ESR：

无论采用哪种方法来得到 ESR 值，高 ESR 会降低开关电源效率，既然输入和输出电容在每个开关周期通过 ESR 充电、放电。

这导致 I² * R_ESR功率损耗。这个损耗(P_CAP(ESR))可以按照下式计算：

P_CAP(ESR) = I_CAP(RMS)² * R_ESR

式中，ICAP(RMS)是流经电容的交流电流有效值 RMS。

对 Buck 变换器的输出电容，可以采用电感纹波电流的有效值 RMS。

对 Buck 变换器的输入滤波电容，RMS 电流的计算比较复杂，可以按照下式得到一个合理的估算值：

I_CIN(RMS) = I_OUT/V_IN * [V_OUT (V_IN – V_OUT)]1/2

显然，为减小电容功率损耗，应选择低 ESR 电容，尤其是在较大纹波电流的时候。ESR 是产生输出电压纹波的主要原因，因此选择低 ESR 的电容不仅仅提高效率，还可以降低输出电压纹波。

一般来说，不同类型电介质的电容具有不同的 ESR 等级。对于给定的容量和额定电压，铝电解电容和钽电容就比陶瓷电容具有更高的 ESR 值。聚酯和聚丙烯电容的 ESR 值介于它们之间，但这些电容尺寸较大，开关电源中很少使用。

对于给定类型的电容，根据 ESR 公式可以看出，较大容量、较低的 DFs 能够提供较低的 ESR。大尺寸电容通常也会降低 ESR，但会带来较大的等效串联电感（例如电解电容），从而降低性能，陶瓷电容被视为比较好的折中选择。此外，电容值一定的条件下，较低的电容额定电压也有助于减小 ESR。

联系方式：邹先生

联系电话：0755-83888366-8022

手机：18123972950

QQ：2880195519

联系地址：深圳市福田区金田路3037号金中环国际商务大厦2109

请搜微信公众号:“KIA半导体”或扫一扫下图“关注”官方微信公众号

请“关注”官方微信公众号:提供  MOS管  技术帮助

免责声明：本网站部分文章或图片来源其它出处，如有侵权，请联系删除。