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[導(dǎo)讀]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(dāng)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。

摘要

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(dāng)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。

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(xiàng)重要措施。根據(jù)觀察某一隨機(jī)過程的結(jié)果,對另一與之有關(guān)的隨機(jī)過程進(jìn)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)?!敖邮招盘枴毕喈?dāng)于被觀測的隨機(jī)過程,“有用信號”相當(dāng)于被估計的隨機(jī)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(dá)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。

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(dāng)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?yàn)榫€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(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。

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(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(dāng)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(dāng)做絕緣體看。但是,在交流電路中,因?yàn)殡娏鞯姆较蚴请S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(dāng)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(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,同時普通電解電容器溫升相對較高。當(dāng)負(fù)載為突變情況時,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,尤其是輸出濾波電容的選擇則是每個工程技術(shù)人員十分關(guān)心的問題。

50赫茲工頻電路中使用的普通電解電容器,其脈動電壓頻率僅為100赫茲,充放電時間是毫秒數(shù)量級。為獲得更小的脈動系數(shù),所需的電容量高達(dá)數(shù)十萬微法,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)萬赫茲,甚至是數(shù)十兆赫茲。這時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,同時對于半導(dǎo)體器件工作時產(chǎn)生的高頻尖峰信號具有良好的濾波作用。

許多電子設(shè)計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,其上的脈動電壓頻率僅有 100 赫茲,充放電時間是毫秒數(shù)量級,為獲得較小的脈動系數(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,對于電源內(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。

普通的低頻電解電容器在萬赫茲左右便開始呈現(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正端流入,經(jīng)過電容內(nèi)部,再從另一個正端流向負(fù)載;從負(fù)載返回的電流也從電容的一個負(fù)端流入,再從另一個負(fù)端流向電源負(fù)端。

開關(guān)穩(wěn)壓電源專用的高頻鋁電解電容器,它有四端個子,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正端流入,經(jīng)過電容內(nèi)部,再從另一個正端流向負(fù)載;從負(fù)載返回的電流也從電容的一個負(fù)端流入,再從另一個負(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分量以及抑制開關(guān)尖峰噪聲提供了極為有利的手段。

開關(guān)穩(wěn)壓電源具有多功能綜合保護(hù):穩(wěn)壓器除了最基本的穩(wěn)定電壓功能以外,還應(yīng)具有過壓保護(hù)(超過輸出電壓的 10%)、欠壓保護(hù)(低于輸出電壓的 -10%)、缺相保護(hù)、短路過載保護(hù)最基本的保護(hù)功能。尖脈沖抑制(可選):電網(wǎng)有時會出現(xiàn)幅值很高,脈寬很窄的尖脈沖,它會擊穿耐壓較低的電子元件。穩(wěn)壓電源的抗浪涌組件能夠?qū)@樣的尖脈沖起到很好的抑制作用。

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,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。

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。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,工作時往往流過很大電流。又如電子鎮(zhèn)流器的諧振電容規(guī)格選擇不當(dāng)時,會出現(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。

在含有電容和電感的電路中,如果電容和電感并聯(lián),可能出現(xiàn)在某個很小的時間段內(nèi):電容的電壓逐漸升高,而電流卻逐漸減少;與此同時電感的電流卻逐漸增加,電感的電壓卻逐漸降低。而在另一個很小的時間段內(nèi):電容的電壓逐漸降低,而電流卻逐漸增加;與此同時電感的電流卻逐漸減少,電感的電壓卻逐漸升高。電壓的增加可以達(dá)到一個正的最大值,電壓的降低也可達(dá)到一個負(fù)的最大值,同樣電流的方向在這個過程中也會發(fā)生正負(fù)方向的變化,此時我們稱為電路發(fā)生電的振蕩。

電路振蕩現(xiàn)象可能逐漸消失,也可能持續(xù)不變地維持著。當(dāng)震蕩持續(xù)維持時,我們稱之為等幅振蕩,也稱為諧振。

諧振時間電容或電感兩鍛電壓變化一個周期的時間稱為諧振周期,諧振周期的倒數(shù)稱為諧振頻率。所謂諧振頻率就是這樣定義的。

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、錯用,以盡可能消除不應(yīng)出現(xiàn)的損壞,并保證產(chǎn)品性能。

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