用什么不好,你非要用0.1uF電容?
濾波電容在開關(guān)電源中起著非常重要的作用,如何正確選擇濾波電容,尤其是輸出濾波電容的選擇則是每個(gè)工程技術(shù)人員都十分關(guān)心的問題。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202410/463514.htm我們?cè)陔娫?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/濾波電路">濾波電路上,可以看到各種各樣不同容值的電容,比如:100uF、10uF、100nF、10nF等,那么這些參數(shù)是如何確定的?
在50Hz工頻電路中,使用的是普通電解電容器,其脈動(dòng)電壓頻率僅為100Hz,充放電時(shí)間是毫秒數(shù)量級(jí)。
為獲得更小的脈動(dòng)系數(shù),所需的電容量高達(dá)數(shù)十萬μF,因此普通低頻鋁電解電容器的目標(biāo)是以提高電容量為主,電容器的電容量、損耗角正切值以及漏電流是鑒別其優(yōu)劣的主要參數(shù)。
而開關(guān)電源中的輸出濾波電解電容器,其鋸齒波電壓頻率高達(dá)數(shù)十kHz,甚至是數(shù)十MHz,這時(shí)電容量并不是其主要指標(biāo)。
衡量高頻鋁電解電容優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是“阻抗-頻率”特性,要求在開關(guān)電源的工作頻率內(nèi)要有較低的等效阻抗,同時(shí)對(duì)于半導(dǎo)體器件工作時(shí)產(chǎn)生的高頻尖峰信號(hào)具有良好的濾波作用。
普通的低頻電解電容器在10kHz左右便開始呈現(xiàn)感性,無法滿足開關(guān)電源的使用要求。
而開關(guān)電源專用的高頻鋁電解電容器有四個(gè)端子,正極鋁片的兩端分別引出作為電容器的正極,負(fù)極鋁片的兩端也分別引出作為負(fù)極。
電流從四端電容的一個(gè)正端流入,經(jīng)過電容內(nèi)部,再從另一個(gè)正端流向負(fù)載;從負(fù)載返回的電流也從電容的一個(gè)負(fù)端流入,再從另一個(gè)負(fù)端流向電源負(fù)端。
由于四端電容具有良好的高頻特性,為減小電壓的脈動(dòng)分量以及抑制開關(guān)尖峰噪聲提供了極為有利的手段。
高頻鋁電解電容器還有多芯的形式,即將鋁箔分成較短的若干段,用多引出片并聯(lián)連接以減小容抗中的阻抗成份。
并且采用低電阻率的材料作為引出端子,提高了電容器承受大電流的能力。
數(shù)字電路要運(yùn)行穩(wěn)定可靠,電源一定要”干凈“,并且能量補(bǔ)充一定要及時(shí),也就是濾波去耦一定要好。
什么是濾波去耦,簡單的說就是在芯片不需要電流的時(shí)候存儲(chǔ)能量,在你需要電流的時(shí)候我又能及時(shí)的補(bǔ)充能量。
不要跟我說這個(gè)職責(zé)不是DCDC、LDO的嗎?對(duì),在低頻的時(shí)候它們可以搞定,但高速的數(shù)字系統(tǒng)就不一樣了。
先來看看電容,電容的作用簡單的說就是存儲(chǔ)電荷,我們都知道在電源中要加電容濾波,在每個(gè)芯片的電源腳放置一個(gè)0.1uF的電容去耦。
等等,怎么我看到有些板子芯片的電源腳旁邊的電容是0.1uF的或者0.01uF的,有什么講究嗎?
要搞懂這個(gè)道道就要了解電容的實(shí)際特性,理想的電容它只是一個(gè)電荷的存儲(chǔ)器,即C。
而實(shí)際制造出來的電容卻不是那么簡單的,分析電源完整性的時(shí)候我們常用的電容模型如下圖所示。
圖中ESR是電容的串聯(lián)等效電阻,ESL是電容的串聯(lián)等效電感,C才是真正的理想電容。
ESR和ESL是由電容的制造工藝和材料決定的,沒法消除,那這兩個(gè)東西對(duì)電路有什么影響。
ESR影響電源的紋波,ESL影響電容的濾波頻率特性。
我們知道電容的容抗Zc=1/ωC,電感的感抗Zl=ωL,(ω=2πf),實(shí)際電容的復(fù)阻抗為Z=ESR+jωL-1/jωC=ESR+j2πfL-1/j2πfC。
可見當(dāng)頻率很低的時(shí)候是電容起作用,而頻率高到一定的時(shí)候電感的作用就不可忽視了,再高的時(shí)候電感就起主導(dǎo)作用了,電容就失去濾波的作用了。
所以記住,高頻的時(shí)候電容就不是單純的電容了,實(shí)際電容的濾波曲線如下圖所示:
上面說了電容的等效串聯(lián)電感是電容的制造工藝和材料決定的,實(shí)際的貼片陶瓷電容的ESL從零點(diǎn)幾nH到幾個(gè)nH,封裝越小ESL就越小。
從上面電容的濾波曲線上我們還看出并不是平坦的,它像一個(gè)’V’,也就是說有選頻特性,在時(shí)候我們希望它是越平越好(前級(jí)的板級(jí)濾波),而有時(shí)候希望它越越尖越好(濾波或陷波)。
影響這個(gè)特性的是電容的品質(zhì)因素Q,Q=1/ωCESR,ESR越大,Q就越小,曲線就越平坦,反之ESR越小,Q就越大,曲線就越尖。
通常鉭電容和鋁電解有比較小的ESL,而ESR大,所以鉭電容和鋁電解具有很寬的有效頻率范圍,非常適合前級(jí)的板級(jí)濾波。
也就是在DCDC或者LDO的輸入級(jí)常常用較大容量的鉭電容來濾波。
而在靠近芯片的地方放一些10uF和0.1uF的電容來去耦,陶瓷電容有很低的ESR。
說了那么多,那到底我們?cè)诳拷酒墓苣_處放置0.1uF還是0.01uF,下面列出來給大家參考:
頻率范圍hz | 電容取值 |
DC-100K | 10uF以上的鉭電容或鋁電解 |
100K-10M | 100nF(0.1uF)陶瓷電容 |
10M-100M | 10nF(0.01uF)陶瓷電容 |
>100M | 1nF(0.001uF)陶瓷電容 |
所以,以后不要見到什么都放0.1uF的電容,有些高速系統(tǒng)中這些0.1uF的電容根本就起不了作用。
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