平板電視電源用諧振電容的設(shè)計(jì)優(yōu)化

廈門法拉電子股份有限公司 倪宏明

本文討論了平板電視電源用諧振電容的技術(shù)要求特點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)有配套的C82-630V系列的優(yōu)勢(shì)和不足，提出采用C32-630V系列的針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證， C32-630V采用單面金屬化內(nèi)串式結(jié)構(gòu)，低方阻、波浪邊設(shè)計(jì)能夠滿足平板電視電源諧振電容的高紋波電流及高dv/dt的要求，并達(dá)到提高產(chǎn)品性價(jià)比，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的目的。

前言：平板電視 FPD（Flat Panel Display）是指屏幕呈平面的電視，它是相對(duì)于傳統(tǒng)顯像管電視機(jī)龐大的身軀作比較而言的一類電視機(jī)，主要包括液晶顯示LCD（Liquid Crystal Display）、等離子顯示PDP（Plasma Display Panel）、有機(jī)電致發(fā)光顯示OLED（Organic Light Emitting Display）、表面?zhèn)鲗?dǎo)電子發(fā)射顯示SED（Surface-conduction Electron-emitter Display）等幾大技術(shù)類型的電視產(chǎn)品。平板電視與傳統(tǒng)的CRT電視（陰極射線管）相比，具有薄、輕、功耗小、輻射低、沒有閃爍、有利于人體健康等優(yōu)點(diǎn)。目前，平板電視已取代CRT電視，成為市場(chǎng)中最為主流的產(chǎn)品。

平板電視定制電源的市場(chǎng)也隨之進(jìn)行穩(wěn)步和高速的發(fā)展，并逐步成為消費(fèi)類定制電源主要的細(xì)分領(lǐng)域。隨之而來的平板電視電源用薄膜電容器需求量也相應(yīng)增大，每個(gè)平板電視電源中一般會(huì)用到至少三顆薄膜電容器，其中至少用到一顆諧振電容，由于諧振電容較高的耐電流能力的要求，設(shè)計(jì)配套平板電視電源市場(chǎng)的高性能、低成本的諧振電容器，符合市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，也可為公司效益創(chuàng)造新的增長點(diǎn)。

1 確定優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)

之前我司配套平板電視電源市場(chǎng)的諧振電容主要為C82系列，該系列為塑料外殼雙面金屬化聚丙烯薄膜電容器，具有高頻損耗小，內(nèi)部溫升低，抗脈沖能力強(qiáng)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高頻大電流、高脈沖的電路當(dāng)中。但是雙面金屬化薄膜電容器性價(jià)比相對(duì)較低，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)。因此在滿足性能要求的前提下研發(fā)性價(jià)比更高的優(yōu)化方案可以提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，增加公司效益。以我司某家主要的平板電視電源客戶為例，其主要使用的諧振電容為C82-630V系列，用量最大的有22nF，33nF，47nF等規(guī)格。本文主要研究針對(duì)以上規(guī)格的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為平板電視電源市場(chǎng)諧振電容的優(yōu)化選型提供借鑒和參考。

2 平板電視電源用諧振電容器的要求和特點(diǎn)

平板電視電源電路簡(jiǎn)圖如圖1所示。

其中C1位置為后端LLC諧振電容，一般的工作波形為近似正弦波，典型的工作頻率為50kHz左右。參考波形圖如圖2所示。

該使用位置對(duì)電容性能要求的特點(diǎn)主要有：

（1）要求電容耐高頻紋波電流能力強(qiáng)，發(fā)熱小、溫升低。對(duì)于電容器的耐電流能力，是通過測(cè)試產(chǎn)品的溫升參數(shù)來衡量。對(duì)于金屬化聚丙烯薄膜電容器，從長期使用的可靠性評(píng)估，一般約定在額定溫度范圍內(nèi)電容由于流經(jīng)的紋波電流引起發(fā)熱導(dǎo)致的溫升不超過10℃，因此產(chǎn)品的耐電流能力可以通過測(cè)試產(chǎn)品溫升△T=10℃時(shí)的有效電流值Irms來衡量。

（2）要求電容抗脈沖電流能力高。即產(chǎn)品的最大可允許脈沖爬升速率dv/dt值要高，按照IEC60384-16的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)電容需滿足充放電10000次的試驗(yàn)要求。

圖1 平板電視電源電路簡(jiǎn)圖

圖2 諧振電容工作波形圖

我司配套的C82-630V系列，采用雙面金屬化聚丙烯膜材質(zhì)，內(nèi)串式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有高頻損耗小，耐紋波電流能力強(qiáng)，dv/dt能力高的特點(diǎn)。符合該諧振位置的使用要求。其中常用的22nF，33nF，47nF規(guī)格的相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)如下表1所示：

表1 C82常用規(guī)格的紋波電流及dv/dt參數(shù)

3 優(yōu)化方案的構(gòu)思與提出

在性能上C82可以滿足平板電視電源諧振電容的要求，但是由于雙面金屬化膜的結(jié)構(gòu)特性，導(dǎo)致C82產(chǎn)品性價(jià)比較低。因此需要開發(fā)出在滿足性能要求的前提下性價(jià)比提升的優(yōu)化方案。

綜合評(píng)估性價(jià)比的要求，初步構(gòu)思以單面金屬化聚丙烯薄膜的C32系列為基礎(chǔ)的優(yōu)化方案，我司C32-630V的現(xiàn)有設(shè)計(jì)采用的是單串式結(jié)構(gòu)，與C32-630V的結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖3所示：

圖3 C82-630V與C32-630V結(jié)構(gòu)對(duì)比

從圖3中可以看出，C82-630V系列是采用一張雙面金屬化聚酯膜做電極，并和一張單面金屬化聚丙烯膜和一張聚丙烯光膜卷繞形成電容器芯子，C32-630V系列是直接采用兩張金屬化聚丙烯膜卷繞而形成芯子。與C82相比，C32在產(chǎn)品尺寸、價(jià)格方面都有明顯的優(yōu)勢(shì)。另外因?yàn)橥瑯硬捎镁郾┠ぷ鳛殡娊橘|(zhì)材料，在基本的電性能技術(shù)參數(shù)上，C32-630V規(guī)格均可以達(dá)到C82-630V的要求。

但是C82的耐紋波電流和dv/dt特性要明顯優(yōu)于C32系列， C32標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的測(cè)試數(shù)據(jù)及與C82的對(duì)比如下表2所示：

表2 C21與C82紋波電流和dv/dt參數(shù)對(duì)比

可見，優(yōu)化方案需要在C32現(xiàn)有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上針對(duì)耐紋波電流和dv/dt參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化：

（1）耐紋波電流能力：優(yōu)化方案采用與C82相同的內(nèi)串式結(jié)構(gòu)，(如圖4所示)，增加聚丙烯薄膜即介質(zhì)層的厚度；并降低金屬化鍍層的方阻，即增加金屬鍍層厚度，從而減小了電容器的ESR(等效串聯(lián)電阻)，降低了溫升，達(dá)到增加紋波電流能力的目的。

圖4 C32單面金屬化膜內(nèi)串式結(jié)構(gòu)

（2）dv/dt能力：優(yōu)化方案采用波浪邊的薄膜分切技術(shù)，與傳統(tǒng)的直邊結(jié)構(gòu)相比，波浪邊結(jié)構(gòu)可以增加金屬化薄膜和噴金層的接觸面積，從而增強(qiáng)了電容器芯子與噴金層的接觸效果，從而加強(qiáng)了產(chǎn)品的抗脈沖電流能力，同時(shí)抗溫度沖擊、機(jī)械沖擊的能力也有提高。

4 優(yōu)化方案的驗(yàn)證

根據(jù)以上優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，針對(duì)平板電視電源用的C32-630V新系列的驗(yàn)證情況如下表3所示：

（1）耐紋波電流能力：測(cè)試優(yōu)化方案的耐紋波電流能力如下表，同比可見優(yōu)化方案的耐電流能力達(dá)到甚至略優(yōu)于C82性能水平。

表3 C32優(yōu)化方案與C82紋波電流參數(shù)對(duì)比

（2）dv/dt能力：根據(jù)C82-630V系列dv/dt=2500V/μs要求以及IEC 60384-16標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)要求，進(jìn)行充放電試驗(yàn)，驗(yàn)證優(yōu)化方案符合試驗(yàn)要求。其中630V-47nF的充放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表4所示，容量損耗等電參數(shù)變化都符合要求：

表4 C32-630V-47nF優(yōu)化方案充放電測(cè)試數(shù)據(jù)

（3）其他電性能參數(shù)和試驗(yàn)要求：經(jīng)過驗(yàn)證優(yōu)化方案的基本電性能參數(shù)要求與C82一致，并且符合IEC-60384-16標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)試驗(yàn)要求。

（4）產(chǎn)品尺寸：優(yōu)化方案的產(chǎn)品外形尺寸以及引出線直徑均與同規(guī)格的C82系列相同，因此在客戶端可以直接替換使用，不存在裝配問題。

從以上驗(yàn)證情況可以得知，C32優(yōu)化方案在電性能參數(shù)、外形尺寸等方面完全可以滿足平板電視電源用諧振電容C82的替代要求，并且單面金屬化膜的特點(diǎn)決定了產(chǎn)品比雙面金屬化膜的C82具有更高的性價(jià)比，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)，從而達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

5 總結(jié)

綜上所述，根據(jù)平板電視電源用諧振電容的技術(shù)要求特點(diǎn)，通過對(duì)現(xiàn)有配套的C82系列的優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行分析，針對(duì)C82性價(jià)比低的不足之處進(jìn)行改進(jìn)，提出采用C32單面金屬化內(nèi)串式結(jié)構(gòu)，低方阻、波浪邊設(shè)計(jì)的針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)。在滿足原C82規(guī)格的電性能、尺寸等要求的基礎(chǔ)上，提升了產(chǎn)品性價(jià)比，增強(qiáng)了我司的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，也為今后在平板電視電源市場(chǎng)的薄膜電容器配套選型提供借鑒和參考。