你的位置:首頁 > 互連技術(shù) > 正文

電容選型與應(yīng)用知識(shí)系列大講臺(tái)—電源設(shè)計(jì)中的電容應(yīng)用實(shí)例

發(fā)布時(shí)間:2010-12-28 來源:電子元件技術(shù)網(wǎng)

上期回顧:電容選型與應(yīng)用知識(shí)系列大講臺(tái)—超級(jí)電容選型應(yīng)用篇

中心議題:

  • 電源設(shè)計(jì)中電容的工作原理
  • 各類電源中電容器的正確選用
  • 電容降壓式電源設(shè)計(jì)實(shí)例


電源往往是我們?cè)陔娐吩O(shè)計(jì)過程中最容易忽略的環(huán)節(jié)。作為一款優(yōu)秀的設(shè)計(jì),電源設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)是很重要的,它很大程度影響了整個(gè)系統(tǒng)的性能和成本。 電源設(shè)計(jì)中的電容使用,往往又是電源設(shè)計(jì)中最容易被忽略的地方。

一、電源設(shè)計(jì)中電容的工作原理
在電源設(shè)計(jì)應(yīng)用中,電容主要用于濾波(filter)和退耦/旁路(decoupling/bypass)。

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(dá)到退耦效果,以后用“退耦”代替)是減小局部電路對(duì)外的噪聲干擾。很多人容易把兩者搞混。下面我們看一個(gè)電路結(jié)構(gòu):

 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(暫等效為一個(gè)電感,實(shí)際用電磁波理論分析這種等效是有誤的,但為方便理解,仍采用這種等效方式。)分開兩路分別供給A和B。電源出來的紋波比較大,于是我們使用C1對(duì)電源進(jìn)行濾波,為A和B提供穩(wěn)定的電壓。C1需要盡可能的靠近電源放置。C2和C3均為旁路電容,起退耦作用。當(dāng)A在某一瞬間需要一個(gè)很大的電流時(shí),如果沒有C2和C3,那么會(huì)因?yàn)榫€路電感的原因A端的電壓會(huì)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(duì)B電路的信號(hào)產(chǎn)生影響。同樣,B的電流變化也會(huì)對(duì)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(gè)瞬間的大電流的時(shí)候,電容C2可以為A暫時(shí)提供電流,即使共路部分電感存在,A端電壓不會(huì)下降太多。對(duì)B的影響也會(huì)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(duì)速度要求不是很快,但對(duì)電容值要求較大。一般使用鋁電解電容。浪涌電流較小的情況下,使用鉭電容代替鋁電解電容效果會(huì)更好一些。從上面的例子我們可以知道,作為退耦的電容,必需有很快的響應(yīng)速度才能達(dá)到效果。如果圖中的局部電路A是指一個(gè)芯片的話,那么退耦電容要用瓷片電容,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(gè)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(cè)里找到計(jì)算公式。如果濾波電路同時(shí)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(hù)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。

 電路結(jié)構(gòu)

退耦電容需要滿足兩個(gè)要求,一個(gè)是容量需求,另一個(gè)是ESR需求。也就是說一個(gè)0.1uF的電容退耦效果也許不如兩個(gè)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(gè)0.01uF電容能達(dá)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(jì)指導(dǎo)手冊(cè)會(huì)給出電源設(shè)計(jì)對(duì)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(gè)瓷片電容,還要有幾個(gè)大電容,總?cè)萘恳?00uF以上…
延伸閱讀:電容器與開關(guān)電源

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(hào)中的振蕩、延時(shí)等。隨著電子線路,特別是電力電子電路的發(fā)展對(duì)不同應(yīng)用場合的電容器提出了不同的特殊要求。

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(shí)主要問題是溫度與壽命關(guān)系,如廉價(jià)型環(huán)境溫度多為85℃,可在1000h 內(nèi)保證各性能參數(shù),特別是電容量,超過1000h,各項(xiàng)性能指標(biāo)將得不到保證,盡管在很多情況下還能用。如降低使用溫度可以延長壽命,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(duì)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(dāng)電解電容器等效串聯(lián)電阻(ESR)較大時(shí),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(shí)仍不呈現(xiàn)上升趨勢。電解電容器ESR 較低,能有效地濾除開關(guān)穩(wěn)壓電源中的高頻紋波和尖峰電壓。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(duì)較差。筆者在實(shí)驗(yàn)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(shí)普通電解電容器溫升相對(duì)較高。當(dāng)負(fù)載為突變情況時(shí),用普通電解電容器的瞬態(tài)響應(yīng)遠(yuǎn)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(diǎn)是:高頻特性好,ESR 低,如MMK5 型容量1μF 電容器,諧振頻率達(dá)2MHz 以上,等效阻抗小于0.02Ω,遠(yuǎn)低于電解電容器,而且容量越小諧振頻率越高(可達(dá)50MHz 以上),這樣將得到很好的電源的輸出頻率響應(yīng)或動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
[page]

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
許多電子設(shè)計(jì)者都知道濾波電容在電源中起的作用,但在開關(guān)電源輸出端用的濾波電容上,與工頻電路中選用的濾波電容并不一樣,在工頻電路中用作濾波的普通電解電容器,其上的脈動(dòng)電壓頻率僅有100 赫茲,充放電時(shí)間是毫秒數(shù)量級(jí),為獲得較小的脈動(dòng)系數(shù),需要的電容量高達(dá)數(shù)十萬微法,因而一般低頻用普通鋁電解電容器制造,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)。

在開關(guān)穩(wěn)壓電源中作為輸出濾波用的電解電容器,其上鋸齒波電壓的頻率高達(dá)數(shù)十千赫,甚至數(shù)十兆赫,它的要求和低頻應(yīng)用時(shí)不同,電容量并不是主要指標(biāo),衡量它好壞的則是它的阻抗一頻率特性,要求它在開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作頻段內(nèi)要有低的等的阻抗,同時(shí),對(duì)于電源內(nèi)部,由于半導(dǎo)體器件開始工作所產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百千赫的尖峰噪聲,亦能有良好的濾波作用,一般低頻用普通電解電容器在10 千赫左右,其阻抗便開始呈現(xiàn)感性,無法滿足開關(guān)電源使用要求。

開關(guān)穩(wěn)壓電源專用的高頻鋁電解電容器,它有四端個(gè)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。穩(wěn)壓電源的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。因?yàn)樗亩穗娙菥哂辛己玫母哳l特性,它為減小輸出電壓的脈動(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,它將鋁箔分成較短的若干小段,用多引出片并聯(lián)連接以減小容抗中的電阻成份,同時(shí),采用低電阻率的材料并用螺桿作為引出端子,以增強(qiáng)電容器承受大電流的能力。

疊片電容也稱為無感電容,一般電解電容器的芯子都卷成圓柱形,等效串聯(lián)電感較大;疊片電容的結(jié)構(gòu)和書本相仿,因流過電流產(chǎn)生的磁通方向相反而被抵消,因而降低了電感的數(shù)值,具有更為優(yōu)良的高頻特性,這種電容一般做成方形,便于固定,還可以適當(dāng)減小占機(jī)體積。

此外,還有一種將四端和疊片相結(jié)合的四端疊片式高頻電解電容器,它綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn),高頻特性更佳。
延伸閱讀:電容器與開關(guān)電源講義PDF下載

2.吸收與換相電容器
隨著柵控半導(dǎo)體器件的額定功率越做越大,開關(guān)速度越來越快,額定電壓越來越高,對(duì)緩沖電路的電容器僅僅要求足夠的耐壓、容量及優(yōu)異的高頻特性是不夠的。

在大功率電力電子電路中,由于IGBT 的開關(guān)速度已小于1μs,要求吸收電路電容器上的電壓變化速率dv/dt> V/μs 已是很正常的,有的要求 V/μs 甚至 V/μs。

對(duì)于普通電容器,特別是普通金屬化電容器的dv/dt<100V/μs,特殊金屬化電容器的dv/dt≤200V/μs,專用雙金屬化電容器小容量(小于10nF)的dv/dt≤1500V/μs,較大容量(小于0.1μF)的則為600V/μs,在這種巨大且重復(fù)率很高的峰值電流沖擊下是很難承受的。所以經(jīng)??梢钥吹诫娏﹄娮与娐芬蛭针娙輵?yīng)用不當(dāng)造成電容器擊穿或斷路,損壞電力電子電路的現(xiàn)象。

目前吸收電路專用電容器,即金屬箔電極可承受較大的峰值電流和有效值電流沖擊,如:較小容量(10nF 以下)的可承受100000V/μs~455000V/μs 的電壓變化率、3700A 峰值電流和達(dá)9A 有效值電流(如CDV30FH822J03);較大容量(大于10nF,小于0.47μF)或較大尺寸的可承受大于3400V/μs 以及1000A 峰值電流的沖擊。

由此可見,盡管同是無感電容、金屬化和金屬箔電容,應(yīng)用在吸收電路中將有不同的表現(xiàn),外形相近但規(guī)格不同在這里是絕對(duì)不能互換的。電容器的尺寸將影響電容器的dv/dt 及峰值電流的耐量,一般而言,長度越大dv/dt 和峰值電流則相對(duì)較小。

吸收電路中電容器的工作特點(diǎn)是高峰值電流占空比小,有效值電流不十分高,與這種電路相似的還有晶閘管逆變器的換相電容器,盡管這種電容器要求的dv/dt 較吸收電容器小,但峰值電流與有效值電流均較大,采用普通電容器在電流方面不能滿足要求。

在某些特殊應(yīng)用中要求儲(chǔ)能電容器反復(fù)急促放電,而且放電回路電阻極低、寄生電感很小,在這種場合下只能將吸收電容并聯(lián)使用以保證長期使用的可靠性。

3.諧振電容器
諧振式變換器,如諧振式開關(guān)穩(wěn)壓電源及晶閘管中頻電源諧振回路中的諧振電容器,工作時(shí)往往流過很大電流。如并聯(lián)諧振式晶閘管中頻電源,流過諧振電容器的諧振電流為流過晶閘管電流的10 倍甚至更高,因此必須選擇專用電容器,方能滿足要求。又如電子鎮(zhèn)流器的諧振電容規(guī)格選擇不當(dāng)時(shí),會(huì)出現(xiàn)電容上電壓雖沒達(dá)到擊穿電壓但由于流過較大的諧振電流而損壞的現(xiàn)象。

綜上所述,在現(xiàn)代電源技術(shù)中,不同應(yīng)用場合需要不同性能的電容器,不能混用、濫用、錯(cuò)用,以盡可能消除不應(yīng)出現(xiàn)的損壞,并保證產(chǎn)品性能。
延伸閱讀:現(xiàn)代電源技術(shù)中電容器的正確選用
[page]

三、電容降壓式電源設(shè)計(jì)實(shí)例
將交流市電轉(zhuǎn)為低壓直流的常規(guī)方法是采用變壓器降壓后再整流濾波,當(dāng)受體積和成本等因素限制時(shí),最簡單實(shí)用的方法就是采用電容降壓式電源。但電容降壓式電源是一種非隔離電源,在應(yīng)用上要特別注意隔離,防止觸電。

1.電容降壓式電源電路原理
電容降壓式簡易電源的基本電路如圖1,C1為降壓電容器,D2為半波整流二極管,D1在市電的負(fù)半周時(shí)給C1提供放電回路,D3是穩(wěn)壓二極管,R1為關(guān)斷 電源后C1的電荷泄放電阻。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)常常采用的是圖2的所示的電路。當(dāng)需要向負(fù)載提供較大的電流時(shí),可采用圖3所示的橋式整流電路。整流后未經(jīng)穩(wěn)壓的 直流電壓一般會(huì)高于30伏,并且會(huì)隨負(fù)載電流的變化發(fā)生很大的波動(dòng),這是因?yàn)榇祟愲娫磧?nèi)阻很大的緣故所致,故不適合大電流供電的應(yīng)用場合。

電容降壓電源電路圖 

2.阻容降壓電路的器件選擇原則
(1)電路設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)先測定負(fù)載電流的準(zhǔn)確值,然后參考示例來選擇降壓電容器的容量。因?yàn)橥ㄟ^降壓電容C1向負(fù)載提供的電流Io,實(shí)際上是流過C1的充放電 電流Ic。C1容量越大,容抗Xc越小,則流經(jīng)C1的充、放電電流越大。當(dāng)負(fù)載電流Io小于C1的充放電電流時(shí),多余的電流就會(huì)流過穩(wěn)壓管,若穩(wěn)壓管的最 大允許電流Idmax小于Ic-Io時(shí)易造成穩(wěn)壓管燒毀。

(2)為保證C1可靠工作,其耐壓選擇應(yīng)大于兩倍的電源電壓。

(3)泄放電阻R1的選擇必須保證在要求的時(shí)間內(nèi)泄放掉C1上的電荷。

3.設(shè)計(jì)舉例
圖2中,已知C1為0.33μF,交流輸入為220V/50Hz,求電路能供給負(fù)載的最大電流。
C1在電路中的容抗Xc為:Xc=1 /(2 πf C)= 1/(2*3.14*50*0.33*10-6)= 9.65K
流過電容器C1的充電電流(Ic)為:Ic = U / Xc = 220 / 9.65 = 22mA。
通常降壓電容C1的容量C與負(fù)載電流Io的關(guān)系可近似認(rèn)為:C=14.5 I,其中C的容量單位是μF,Io的單位是A。

延伸閱讀:一種基于電容的電磁全隔離直流電源傳輸電路

 第五講預(yù)告:
最后一講我們以Q/A的形式,一起探討工程師在設(shè)計(jì)中使用電容的常見問題及技巧,幫助工程師了解電容特性,在電路設(shè)計(jì)中正確選擇和運(yùn)用電容,更好的發(fā)揮電容儲(chǔ)能和濾波的技術(shù)特性,提高設(shè)計(jì)水平和產(chǎn)品可靠性....
 

要采購電容器么,點(diǎn)這里了解一下價(jià)格!
特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉