工程師手冊:電源設(shè)計中的電容選用規(guī)則講解
電源往往是我們在電路設(shè)計過程中最容易忽略的環(huán)節(jié)。作為一款優(yōu)秀的設(shè)計,電源設(shè)計應(yīng)當是很重要的,它很大程度影響了整個系統(tǒng)的性能和成本。 電源設(shè)計中的電容使用,往往又是電源設(shè)計中最容易被忽略的地方。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/228283.htm一、電源設(shè)計中電容的工作原理
在電源設(shè)計應(yīng)用中,電容主要用于濾波(filter)和退耦/旁路(decoupling/bypass)。濾波是將信號中特定波段頻率濾除的操作,是抑制和防止干擾的一項重要措施。根據(jù)觀察某一隨機過程的結(jié)果,對另一與之有關(guān)的隨機過程進行估計的概率理論與方法。濾波一詞起源于通信理論,它是從含有干擾的接收信號中提取有用信號的一種技術(shù)。“接收信號”相當于被觀測的隨機過程,“有用信號”相當于被估計的隨機過程。
濾波主要指濾除外來噪聲,而退耦/旁路(一種,以旁路的形式達到退耦效果,以后用“退耦”代替)是減小局部電路對外的噪聲干擾。很多人容易把兩者搞混。下面我們看一個電路結(jié)構(gòu):
圖中電源為A和B供電。電流經(jīng)C1后再經(jīng)過一段PCB走線分開兩路分別供給A和B。當A在某一瞬間需要一個很大的電流時,如果沒有C2和C3,那么會因為線路電感的原因A端的電壓會變低,而B端電壓同樣受A端電壓影響而降低,于是局部電路A的電流變化引起了局部電路B的電源電壓,從而對B電路的信號產(chǎn)生影響。同樣,B的電流變化也會對A形成干擾。這就是“共路耦合干擾”。
增加了C2后,局部電路再需要一個瞬間的大電流的時候,電容C2可以為A暫時提供電流,即使共路部分電感存在,A端電壓不會下降太多。對B的影響也會減小很多。于是通過電流旁路起到了退耦的作用。
一般濾波主要使用大容量電容,對速度要求不是很快,但對電容值要求較大。如果圖中的局部電路A是指一個芯片的話,而且電容盡可能靠近芯片的電源引腳。而如果“局部電路A”是指一個功能模塊的話,可以使用瓷片電容,如果容量不夠也可以使用鉭電容或鋁電解電容(前提是功能模塊中各芯片都有了退耦電容— 瓷片電容)。
濾波電容的容量往往都可以從電源芯片的數(shù)據(jù)手冊里找到計算公式。如果濾波電路同時使用電解電容、鉭電容和瓷片電容的話,把電解電容放的離開關(guān)電源最近,這樣能保護鉭電容。瓷片電容放在鉭電容后面。這樣可以獲得最好的濾波效果。
退耦電容需要滿足兩個要求,一個是容量需求,另一個是ESR需求。也就是說一個0.1uF的電容退耦效果也許不如兩個0.01uF電容效果好。而且,0.01uF電容在較高頻段有更低的阻抗,在這些頻段內(nèi)如果一個0.01uF電容能達到容量需求,那么它將比0.1uF電容擁有更好的退耦效果。
很多管腳較多的高速芯片設(shè)計指導(dǎo)手冊會給出電源設(shè)計對退耦電容的要求,比如一款500多腳的BGA封裝要求3.3V電源至少有30個瓷片電容,還要有幾個大電容,總?cè)萘恳?00uF以上… 二、各類電源中電容器的正確選用
電容器作為基本元件在電子線路中起著重要作用,在傳統(tǒng)的應(yīng)用中,電容器主要用作旁路耦合、電源濾波、隔直以及小信號中的振蕩、延時等。隨著電子線路,特別是電力電子電路的發(fā)展對不同應(yīng)用場合的電容器提出了不同的特殊要求。
電容器的結(jié)構(gòu)上說起。最簡單的電容器是由兩端的極板和中間的絕緣電介質(zhì)(包括空氣)[1]構(gòu)成的。通電后,極板帶電,形成電壓(電勢差),但是由于中間的絕緣物質(zhì),所以整個電容器是不導(dǎo)電的。不過,這樣的情況是在沒有超過電容器的臨界電壓(擊穿電壓)的前提條件下的。我們知道,任何物質(zhì)都是相對絕緣的,當物質(zhì)兩端的電壓加大到一定程度后,物質(zhì)是都可以導(dǎo)電的,我們稱這個電壓叫擊穿電壓。
電容也不例外,電容被擊穿后,就不是絕緣體了。不過在中學(xué)階段,這樣的電壓在電路中是見不到的,所以都是在擊穿電壓以下工作的,可以被當做絕緣體看。但是,在交流電路中,因為電流的方向是隨時間成一定的函數(shù)關(guān)系變化的。而電容器充放電的過程是有時間的,這個時候,在極板間形成變化的電場,而這個電場也是隨時間變化的函數(shù)。
1.濾波電容器
交流電(工頻或高頻)經(jīng)整流后需用電容器濾波使輸出電壓平滑,要求電容器容量大,一般多采用鋁電解電容器。鋁電解電容器應(yīng)用時主要問題是溫度與壽命關(guān)系,基本遵循50℃法則。因此在很多要求高溫和高可靠性場合下,應(yīng)選用長壽命(如5000h 以上,甚至105℃,5000h)電解電容器。一般體積小的電解電容器,其壽命相對較短。
用于DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓電源輸入濾波電容器,因開關(guān)變換器是以脈沖形式向電源汲取電能,故濾波電容器中流過較大的高頻電流,當電解電容器等效串聯(lián)電阻(ESR)較大時,將產(chǎn)生較大損耗,導(dǎo)致電解電容器發(fā)熱。而低ESR 電解電容器則可明顯減小紋波(特別是高頻紋波)電流產(chǎn)生的發(fā)熱。
用于開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出整流的電解電容器,要求其阻抗頻率特性在300kHz 甚至500kHz時仍不呈現(xiàn)上升趨勢。而普通電解電容器在100kHz 后就開始呈現(xiàn)上升趨勢,用于開關(guān)電源輸出整流濾波效果相對較差。筆者在實驗中發(fā)現(xiàn),普通CDII 型中4700μF,16V 電解電容器,用于開關(guān)電源輸出濾波的紋波與尖峰并不比CD03HF 型4700μF,16V 高頻電解電容器的低,同時普通電解電容器溫升相對較高。當負載為突變情況時,用普通電解電容器的瞬態(tài)響應(yīng)遠不如高頻電解電容器。
由于鋁電解電容器在高頻段不能很好地發(fā)揮作用,應(yīng)輔之以高頻特性好的陶瓷或無感薄膜電容器,其主要優(yōu)點是:高頻特性好,ESR 低,如MMK5 型容量1μF 電容器,諧振頻率達2MHz 以上,等效阻抗小于0.02Ω,遠低于電解電容器,而且容量越小諧振頻率越高(可達50MHz 以上),這樣將得到很好的電源的輸出頻率響應(yīng)或動態(tài)響應(yīng)。
在濾波電容器中我們著重講解在開關(guān)電源中怎樣選用濾波電容
開關(guān)電源怎樣選用濾波電容
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
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