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開關電源設計中如何正確選擇濾波電容?

來源: 發布時間:2017-06-02 07:58:37 次瀏覽

濾波電容在開關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工程技術人員都十分關心的問題。我們在電源濾波電路上可以看到各種各樣的電容,100uF,10uF,100nF,10nF不同的容值,那么這些參數是如何確定的?

50Hz 工頻電路中使用的普通電解電容器,其脈動電壓頻率僅為100Hz,充放電時間是毫秒數量級。為獲得更小的脈動系數,所需的電容量高達數十萬 μF,因此普通低頻鋁電解電容器的目標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劣的主要參數。而開關電源中的輸出濾波電解電容器,其鋸齒波電壓頻率高達數十kHz,甚至是數十MHz,這時電容量并不是其主要指標,衡量高頻鋁電解電容優劣的標準是“阻抗-頻率”特性,要求在開 關電源的工作頻率內要有較低的等效阻抗,同時對于半導體器件工作時產生的高頻尖峰信號具有良好的濾波作用。

普通的低頻電解電容器在10kHz左右便開始呈現感性,無法滿足開關電源的使用要求。而開關電源專用的高頻鋁電解電容器有四個端子,正極鋁片的兩端 分別引出作為電容器的正極,負極鋁片的兩端也分別引出作為負極。電流從四端電容的一個正端流入,經過電容內部,再從另一個正端流向負載;從負載返回的電流 也從電容的一個負端流入,再從另一個負端流向電源負端。

由于四端電容具有良好的高頻特性,為減小電壓的脈動分量以及抑制開關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。

數字電路要運行穩定可靠,電源一定要“干凈”,并且能量補充一定要及時,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候存儲能量,在你需要電流的時候我又能及時的補充能量。不要跟我說這個職責不是DCDC、LDO的嗎?對,在低頻的時候它們可以搞定,但高速的數字系統就不一樣了。

先來看看電容,電容的作用簡單的說就是存儲電荷。我們都知道在電源中要加電容濾波,在每個芯片的電源腳放置一個0.1uF的電容去耦等等,怎么我看到要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?要搞懂這個道理就要了解電容的實際特性。理想的電容它只是一個電荷的存儲器,即C。而實際制造出來的電容卻不是那么簡單,分析電源完整性的時候我們常用的電容模型如下圖所示。

 開關電源設計中如何正確選擇濾波電容?

 

圖中ESR是電容的串聯等效電阻,ESL是電容的串聯等效電感,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。那這兩個東西對電路有什么影響。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),實際電容的復阻抗為Z=ESR+jωL-1/jωC= ESR+j2πf L-1/j2πf C??梢姰旑l率很低的時候是電容起作用,而頻率高到一定的時候電感的作用就不可忽視了,再高的時候電感就起主導作用了。電容就失去濾波的作用了。所以記住,高頻的時候電容就不是單純的電容了。
上面說了電容的等效串聯電感是電容的制造工藝和材料決定的,實際的貼片陶瓷電容的ESL從零點幾nH到幾個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‘V’,也就是說有選頻特性,在時候我們希望它是越平越好(前級的板級濾波),而有時候希望它越越尖越好(濾波或陷波)。影響這個特性的是電容的品質因素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,非常適合前級的板級濾波。也就是在DCDC或者LDO的輸入級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,那到底我們在靠近芯片的管腳處放置0.1uF還是0.01uF,下面列出來給大家參考。

 開關電源設計中如何正確選擇濾波電容?

 

所以,以后不要見到什么都放0.1uF的電容,有些高速系統中這些0.1uF的電容根本就起不了作用。

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