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[導(dǎo)讀]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。50Hz工頻電路中使用的普通電解電容器,

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。

50Hz工頻電路中使用的普通電解電容器,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?gòu)牧硪粋€(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?gòu)牧硪粋€(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。
 

電感的阻抗與頻率成正比,電容的阻抗與頻率成反比.所以,電感可以阻扼高頻通過,電容可以阻扼低頻通過.二者適當(dāng)組合,就可過濾各種頻率信號(hào).如在整流電路中,將電容并在負(fù)載上或?qū)㈦姼写?lián)在負(fù)載上,可濾去交流紋波.。電容濾波屬電壓濾波,是直接儲(chǔ)存脈動(dòng)電壓來平滑輸出電壓,輸出電壓高,接近交流電壓峰值;適用于小電流,電流越小濾波效果越好。

電感濾波屬電流濾波,是靠通過電流產(chǎn)生電磁感應(yīng)來平滑輸出電流,輸出電壓低,低于交流電壓有效值;適用于大電流,電流越大濾波效果越好。電容和電感的很多特性是恰恰相反的。

一般情況下,電解電容的作用是過濾掉電流中的低頻信號(hào),但即使是低頻信號(hào),其頻率也分為了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此為了適合在不同頻率下使用,電解電容也分為高頻電容和低頻電容(這里的高頻是相對(duì)而言)。

低頻濾波電容主要用于市電濾波或變壓器整流后的濾波,其工作頻率與市電一致為50Hz;而高頻濾波電容主要工作在開關(guān)電源整流后的濾波,其工作頻率為幾千Hz到幾萬Hz。當(dāng)我們將低頻濾波電容用于高頻電路時(shí),由于低頻濾波電容高頻特性不好,它在高頻充放電時(shí)內(nèi)阻較大,等效電感較高。因此在使用中會(huì)因電解液的頻繁極化而產(chǎn)生較大的熱量。而較高的溫度將使電容內(nèi)部的電解液氣化,電容內(nèi)壓力升高,最終導(dǎo)致電容的鼓包和爆裂。

電源濾波電容的大小,平時(shí)做設(shè)計(jì),前級(jí)用4.7u,用于濾低頻,二級(jí)用0.1u,用于濾高頻,4.7uF的電容作用是減小輸出脈動(dòng)和低頻干擾,0.1uF的電容應(yīng)該是減小由于負(fù)載電流瞬時(shí)變化引起的高頻干擾。一般前面那個(gè)越大越好,兩個(gè)電容值相差大概100倍左右。電源濾波,開關(guān)電源,要看你的ESR(電容的等效串聯(lián)電阻)有多大,而高頻電容的選擇最好在其自諧振頻率上。大電容是防止浪涌,機(jī)理就好比大水庫(kù)防洪能力更強(qiáng)一樣;小電容濾高頻干擾,任何器件都可以等效成一個(gè)電阻、電感、電容的串并聯(lián)電路,也就有了自諧振,只有在這個(gè)自諧振頻率上,等效電阻最小,所以濾波最好!

電容的等效模型為一電感L,一電阻R和電容C的串聯(lián),

電感L為電容引線所至,電阻R代表電容的有功功率損耗,電容C.

因而可等效為串聯(lián)LC回路求其諧振頻率,串聯(lián)諧振的條件為WL=1/WC,W=2*PI*f,從而得到此式子f = 1/(2pi* LC).,串聯(lián)LC回路中心頻率處電抗最小表現(xiàn)為純電阻,所以中心頻率處起到濾波效果.引線電感的大小因其粗細(xì)長(zhǎng)短而不同,接地電容的電感一般是1MM為10nH左右,取決于需要接地的頻率。

采用電容濾波設(shè)計(jì)需要考慮參數(shù):

ESR

ESL

耐壓值

諧振頻率

那么如何選取電源濾波電容呢?

電源濾波電容如何選取,掌握其精髓與方法,其實(shí)也不難

1)理論上理想的電容其阻抗隨頻率的增加而減少(1/jwc),但由于電容兩端引腳的電感效應(yīng),這時(shí)電容應(yīng)該看成是一個(gè)LC串連諧振電路,自諧振頻率即器件的FSR參數(shù),這表示頻率大于FSR值時(shí),電容變成了一個(gè)電感,如果電容對(duì)地濾波,當(dāng)頻率超出FSR后,對(duì)干擾的抑制就大打折扣,所以需要一個(gè)較小的電容并聯(lián)對(duì)地.原因在于小電容,SFR值大,對(duì)高頻信號(hào)提供了一個(gè)對(duì)地通路,

所以在電源濾波電路中我們常常這樣理解:大電容濾低頻,小電容濾高頻,根本的原因在于SFR(自諧振頻率)值不同,想想為什么?如果從這個(gè)角度想,也就可以理解為什么電源濾波中電容對(duì)地腳為什么要盡可能靠近地了.

2)那么在實(shí)際的設(shè)計(jì)中,我們常常會(huì)有疑問,我怎么知道電容的SFR是多少?就算我知道SFR值,

我如何選取不同SFR值的電容值呢?是選取一個(gè)電容還是兩個(gè)電容?

電容的SFR值和電容值有關(guān),和電容的引腳電感有關(guān),所以相同容值的0402,0603,或直插式電容

的SFR值也不會(huì)相同,當(dāng)然獲取SFR值的途徑有兩個(gè):1)器件Data sheet,如22pf0402電容的SFR

值在2G左右, 2)通過網(wǎng)絡(luò)分析儀直接量測(cè)其自諧振頻率,想想如何測(cè)量S21?

知道了電容的SFR值后,用軟件仿真,如RFsim99,選一個(gè)或兩個(gè)電路在于你所供電電路的工作頻

帶是否有足夠的噪聲抑制比.仿真完后,那就是實(shí)際電路試驗(yàn),如調(diào)試手機(jī)接收靈敏度時(shí),LNA的

電源濾波是關(guān)鍵,好的電源濾波往往可以改善幾個(gè)dB.

電容的本質(zhì)是通交流,隔直流,理論上說電源濾波用電容越大越好.但由于引線和PCB布線原因,實(shí)際上電容是電感和電容的并聯(lián)電路,(還有電容本身的電阻,有時(shí)也不可忽略)這就引入了諧振頻率的概念:ω=1/(LC)1/2

在諧振頻率以下電容呈容性,諧振頻率以上電容呈感性.因而一般大電容濾低頻波,小電容濾高頻波.

這也能解釋為什么同樣容值的STM封裝的電容濾波頻率比DIP封裝更高.

至于到底用多大的電容,這是一個(gè)參考電容諧振頻率

電容值 DIP (MHz) STM (MHz)

1.0μF 2.5 5

0.1μF 8 16

0.01μF 25 50

1000pF 80 160

100 pF 250 500

10 pF 800 1.6(GHz)

不過僅僅是參考而已,老工程師說主要靠經(jīng)驗(yàn).

更可靠的做法是將一大一小兩個(gè)電容并聯(lián),

一般要求相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上,以獲得更大的濾波頻段.

總結(jié)

1.電容對(duì)地濾波,需要一個(gè)較小的電容并聯(lián)對(duì)地,對(duì)高頻信號(hào)提供了一個(gè)對(duì)地通路。

2.電源濾波中電容對(duì)地腳要盡可能靠近地。

3.理論上說電源濾波用電容越大越好,一般大電容濾低頻波,小電容濾高頻波。

4.可靠的做法是將一大一小兩個(gè)電容并聯(lián),一般要求相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上,以獲得更大的濾波頻段.

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