不再憑經驗,精確確定濾波電容容值方法
發布時間:2014-12-02 責任編輯:sherryyu
【導讀】電源工程師都知道一個電路常識:數字電路要運行穩定可靠,電源一定要”幹淨“,並(bing)且(qie)能(neng)量(liang)補(bu)充(chong)一(yi)定(ding)要(yao)及(ji)時(shi),也(ye)就(jiu)是(shi)濾(lv)波(bo)去(qu)耦(ou)一(yi)定(ding)要(yao)好(hao)。但(dan)是(shi)很(hen)多(duo)時(shi)候(hou)大(da)家(jia)都(dou)是(shi)靠(kao)慣(guan)性(xing)和(he)經(jing)驗(yan)來(lai)確(que)定(ding)濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)容(rong)值(zhi),如(ru)何(he)準(zhun)確(que)的(de)來(lai)確(que)定(ding)濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)容(rong)值(zhi)呢(ne)?
根據電路常識,電源工程師都能夠明白,數字電路要運行穩定可靠,電源一定要”幹淨“,並bing且qie能neng量liang補bu充chong一yi定ding要yao及ji時shi,也ye就jiu是shi濾lv波bo去qu耦ou一yi定ding要yao好hao。什shen麼me是shi濾lv波bo去qu耦ou,簡jian單dan的de說shuo就jiu是shi在zai芯xin片pian不bu需xu要yao電dian流liu的de時shi候hou存cun儲chu能neng量liang,在zai你ni需xu要yao電dian流liu的de時shi候hou又you能neng及ji時shi的de補bu充chong能neng量liang。不bu要yao說shuo這zhe個ge職zhi責ze不bu是shiDCDC、LDO的嗎,這個在低頻的時候它們可以搞定,但高速的數字係統就不一樣了。
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。這些板子芯片的電源腳旁邊的電容是0.1uF的或者0.01uF的,有什麼講究嗎。要搞懂這個就要了解電容的實際特性。理想的電容它隻是一個電荷的存儲器,即C。而實際製造出來的電容卻不是那麼簡單,分析電源完整性的時候我們常用的電容模型如下圖所示。

電容模型
我們由圖可見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是由電容的製造工藝和材料決定的,沒法消除。那這兩個東西對電路有什麼影響。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),實際電容的複阻抗為:Z=ESR+jωL-1/jωC= ESR+j2πf L-1/j2πf C。可見當頻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dian容rong就jiu失shi去qu濾lv波bo的de作zuo用yong了le。所suo以yi記ji住zhu,高gao頻pin的de時shi候hou電dian容rong就jiu不bu是shi單dan純chun的de電dian容rong了le。實shi際ji電dian容rong的de濾lv波bo曲qu線xian如ru下xia圖tu所suo示shi。上shang麵mian說shuo了le電dian容rong的de等deng效xiao串chuan聯lian電dian感gan是shi電dian容rong的de製zhi造zao工gong藝yi和he材cai料liao決jue定ding的de,實shi際ji的de貼tie片pian陶tao瓷ci電dian容rong的deESL從零點幾nH到幾個nH,封裝越小ESL就越小。從上麵電容的濾波曲線上我們還看出並不是平坦的,它像一個’V’,也就是說有選頻特性,那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範圍,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。說了那麼多,那到底我們在靠近芯片的管腳處放置0.1uF還是0.01uF,下麵列出來給大家參考。

頻率範圍(HZ) 電容取值:DC-100K 10uF以上的鉭電容或鋁電解;100K-10M 100nF(0.1uF)陶瓷電容;10M-100M 10nF(0.01uF)陶瓷電容;>100M 1nF(0.001uF)陶瓷電容和PCB的地平麵與電源平麵的電容。
所以我們靠照抄和慣性都不能確定電路中的電容容值,經過以上論證顯示我們在設計電路的時候,不要見到什麼都放0.1uF的電容,有些高速係統中這些0.1uF的電容根本就起不了作用。
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