Как правильно выбрать фильтрующий конденсатор в процессе сборки импульсного блока питания?
Конденсатор фильтра играет очень важную роль в импульсном источнике питания. Как правильно подобрать фильтрующий конденсатор, особенно выбор выходного фильтрующего конденсатора – проблема, которая очень волнует каждого инженера и техника. Мы можем видеть различные конденсаторы на схеме фильтра питания, 100 мкФ, 10 мкФ, 100 нФ, 10 нФ с разными значениями емкости, так как же определяются эти параметры? Только не говорите мне, что я скопировал чужую схему, ага.
Для обычных электролитических конденсаторов, используемых в цепях с частотой сети 50 Гц, частота пульсирующего напряжения составляет всего 100 Гц, а время зарядки и разрядки составляет порядка миллисекунд. Для получения меньшего коэффициента пульсации необходимая емкость достигает сотен тысяч мкФ. Поэтому целью обычных низкочастотных алюминиевых электролитических конденсаторов является увеличение емкости. Основные параметры плюсы и минусы. Однако электролитический конденсатор выходного фильтра в импульсном источнике питания имеет частоту пилообразного напряжения, достигающую десятков кГц или даже десятков МГц. В настоящее время емкость не является основным показателем. Стандартом измерения качества высокочастотных алюминиевых электролитических конденсаторов является характеристика «импеданс-«Частота», требуется иметь более низкий эквивалентный импеданс в пределах рабочей частоты импульсного источника питания, и при этом иметь хорошую фильтрацию влияние на высокочастотные выбросы, возникающие при работе полупроводникового прибора.
Обычные низкочастотные электролитические конденсаторы начинают проявлять индуктивность на отметке 10кГц, что не может удовлетворить требованиям импульсных блоков питания. Высокочастотный алюминиевый электролитический конденсатор, предназначенный для импульсного источника питания, имеет четыре контакта. Два конца положительного алюминиевого листа соответственно вытянуты как положительный электрод конденсатора, а два конца отрицательного алюминиевого листа также соответственно вытянуты как отрицательный электрод. Ток протекает от одного положительного вывода четырехвыводного конденсатора, проходит через внутреннюю часть конденсатора, а затем течет от другого положительного вывода к нагрузке; ток, возвращающийся от нагрузки, также протекает от одного отрицательного вывода конденсатора, а затем течет от другого отрицательного вывода к отрицательному выводу источника питания.
Так как четырехвыводной конденсатор имеет хорошие высокочастотные характеристики, он обеспечивает чрезвычайно благоприятное средство для уменьшения пульсирующей составляющей напряжения и подавления коммутационного пикового шума. Высокочастотные алюминиевые электролитические конденсаторы также имеют многожильный вид, то есть алюминиевая фольга разделена на несколько более коротких участков, а несколько выводов соединены параллельно для уменьшения импедансной составляющей в емкостном реактивном сопротивлении. А использование низкоомных материалов в качестве выводных выводов улучшает способность конденсатора выдерживать большие токи.
Для стабильной и надежной работы цифровых схем источник питания должен быть «чистым», а подпитка энергией — своевременной, то есть фильтрация и развязка должны быть хорошими. Что такое фильтрация и развязка, проще говоря, это запасать энергию, когда микросхеме не нужен ток, и я могу пополнять энергию вовремя, когда нужен ток. Не подскажете, что эта ответственность лежит не на DCDC и LDO? Да, на низких частотах они справятся, а вот с высокоскоростными цифровыми системами дело обстоит иначе.
Сначала рассмотрим конденсатор. Функция конденсатора заключается в простом хранении заряда. Все мы знаем, что в блок питания надо добавить конденсаторную фильтрацию, а на вывод питания каждой микросхемы поставить конденсатор {{0}}.1uF для развязки и т.д. Почему я вижу, что конденсатор рядом с контактом питания некоторых микросхем платы стоит 0.1uF или 0.01uF Да, в чем смысл? Чтобы понять эту истину, мы должны понять фактические характеристики конденсаторов. Идеальный конденсатор — это всего лишь накопитель заряда, а именно C. Однако реально изготовленный конденсатор не так прост. При анализе целостности источника питания наиболее часто используемая модель конденсатора показана на рисунке ниже.
На рисунке ESR — последовательное эквивалентное сопротивление конденсатора, ESL — последовательная эквивалентная индуктивность конденсатора, а C — реальный идеальный конденсатор. ESR и ESL определяются процессом изготовления и материалами конденсатора и не могут быть устранены. Какое влияние эти две вещи оказывают на схему. ESR влияет на пульсации источника питания, а ESL влияет на частотную характеристику фильтра конденсатора.
Мы знаем, что емкостное сопротивление Zc=1/ωC конденсатора, индуктивное сопротивление Zl=ωL катушки индуктивности (ω=2πf) и комплексное сопротивление фактического конденсатора равно Z=ESR плюс jωL-1/jωC=ESR плюс j2πf L-1/j2πf c. Видно, что когда частота очень низкая, роль играет емкость, а когда частота высока до определенного уровня, роль индуктивности нельзя игнорировать, а когда частота выше, индуктивность будет играть роль. ведущая роль. Конденсатор теряет фильтрующий эффект. Так что помните, когда частота высока, конденсатор — это не просто конденсатор.
Как упоминалось выше, эквивалентная последовательная индуктивность конденсатора определяется процессом изготовления и материалом конденсатора. ESL реального керамического конденсатора микросхемы колеблется от нескольких десятых долей нГн до нескольких нГн, и чем меньше корпус, тем меньше ESL.
Из приведенной выше кривой фильтра конденсатора мы также видим, что он не плоский, он похож на букву «V», то есть имеет частотно-избирательные характеристики, и мы надеемся, что он максимально плоский ( предварительная фильтрация на уровне платы), и иногда вы хотите, чтобы она была максимально резкой (фильтрация или вырезание). Что влияет на эту характеристику, так это добротность Q конденсатора, Q=1/ωCESR, чем больше ESR, тем меньше Q и тем более пологая кривая. Наоборот, чем меньше ESR, тем больше добротность и тем острее кривая. Обычно танталовые конденсаторы и алюминиевые электролиты имеют относительно небольшой ESL, но ESR велики, поэтому танталовые конденсаторы и алюминиевые электролиты имеют широкий диапазон эффективных частот, что очень подходит для фильтра уровня платы. То есть танталовый конденсатор большой емкости часто используется для фильтрации на входном каскаде DCDC или LDO. И поместите несколько конденсаторов 10 мкФ и 0,1 мкФ рядом с чипом для развязки, керамические конденсаторы имеют очень низкое ESR.
