絕對幹貨:詳解電源濾波電容的計算與選型
發布時間:2014-12-22 責任編輯:echolady
【導讀】對dui於yu工gong程cheng師shi來lai說shuo,電dian容rong是shi一yi個ge非fei常chang不bu起qi眼yan的de元yuan器qi件jian,但dan確que是shi不bu可ke或huo缺que的de存cun在zai。本ben文wen就jiu為wei大da家jia歸gui納na總zong結jie電dian源yuan濾lv波bo電dian容rong的de計ji算suan以yi及ji如ru何he選xuan型xing的de技ji巧qiao。希xi望wang大da家jia能neng夠gou學xue以yi致zhi用yong,通tong透tou掌zhang握wo濾lv波bo電dian容rong的de相xiang關guan知zhi識shi。
電感的阻抗與頻率成正比,電容的阻抗與頻率成反比.所以,電感可以阻扼高頻通過,電容可以阻扼低頻通過.二者適當組合,就可過濾各種頻率信號.如在整流電路中,將電容並在負載上或將電感串聯在負載上,可濾去交流紋波.。電容濾波屬電壓濾波,是直接儲存脈動電壓來平滑輸出電壓,輸出電壓高,接近交流電壓峰值;適用於小電流,電流越小濾波效果越好。
電感濾波屬電流濾波,是靠通過電流產生電磁感應來平滑輸出電流,輸出電壓低,低於交流電壓有效值;shiyongyudadianliu,dianliuyuedalvboxiaoguoyuehao。dianronghediangandehenduotexingshiqiaqiaxiangfande。yibanqingkuangxia,dianjiedianrongdezuoyongshiguolvdiaodianliuzhongdedipinxinhao,danjishishidipinxinhao,qipinlvyefenweilehaojigeshuliangji。yinciweileshihezaibutongpinlvxiashiyong,dianjiedianrongyefenweigaopindianronghedipindianrong(這裏的高頻是相對而言)。
低頻濾波電容主要用於市電濾波或變壓器整流後的濾波,其工作頻率與市電一致為50Hz;而高頻濾波電容主要工作在開關電源整流後的濾波,其工作頻率為幾千Hz到幾萬Hz。當dang我wo們men將jiang低di頻pin濾lv波bo電dian容rong用yong於yu高gao頻pin電dian路lu時shi,由you於yu低di頻pin濾lv波bo電dian容rong高gao頻pin特te性xing不bu好hao,它ta在zai高gao頻pin充chong放fang電dian時shi內nei阻zu較jiao大da,等deng效xiao電dian感gan較jiao高gao。因yin此ci在zai使shi用yong中zhong會hui因yin電dian解jie液ye的de頻pin繁fan極ji化hua而er產chan生sheng較jiao大da的de熱re量liang。而er較jiao高gao的de溫wen度du將jiang使shi電dian容rong內nei部bu的de電dian解jie液ye氣qi化hua,電dian容rong內nei壓ya力li升sheng高gao,最zui終zhong導dao致zhi電dian容rong的de鼓gu包bao和he爆bao裂lie。
電源濾波電容的大小,平時做設計,前級用4.7u,用於濾低頻,二級用0.1u,用於濾高頻,4.7uF的電容作用是減小輸出脈動和低頻幹擾,0.1uF的電容應該是減小由於負載電流瞬時變化引起的高頻幹擾。一般前麵那個越大越好,兩個電容值相差大概100倍左右。電源濾波,開關電源,要看你的ESR(電容的等效串聯電阻)有多大,而高頻電容的選擇最好在其自諧振頻率上。大電容是防止浪湧,機理就好比大水庫防洪能力更強一樣;小電容濾高頻幹擾,任何器件都可以等效成一個電阻、電感、電容的串並聯電路,也就有了自諧振,隻有在這個自諧振頻率上,等效電阻最小,所以濾波最好!
電容的等效模型為一電感L,一電阻R和電容C的串聯,電感L為電容引線所至,電阻R代表電容的有功功率損耗,電容C.因而可等效為串聯LC回路求其諧振頻率,串聯諧振的條件為WL=1/WC,W=2*PI*f,從而得到此式子f = 1/(2pi* LC).,串聯LC回路中心頻率處電抗最小表現為純電阻,所以中心頻率處起到濾波效果.引線電感的大小因其粗細長短而不同,接地電容的電感一般是1MM為10nH左右,取決於需要接地的頻率。
采用電容濾波設計需要考慮參數: ESR;ESL;耐壓值;諧振頻率
那麼如何選取電源濾波電容呢?
1)理論上理想的電容其阻抗隨頻率的增加而減少(1/jwc),但由於電容兩端引腳的電感效應,這時電容應該看成是一個LC串連諧振電路,自諧振頻率即器件的FSR參數,這表示頻率大於FSR值時,電容變成了一個電感,如果電容對地濾波,當頻率超出FSR後,對幹擾的抑製就大打折扣,所以需要一個較小的電容並聯對地.原因在於小電容,SFR值大,對高頻信號提供了一個對地通路,所以在電源濾波電路中我們常常這樣理解:大電容濾低頻,小電容濾高頻,根本的原因在於SFR(自諧振頻率)值不同,想想為什麼?如果從這個角度想,也就可以理解為什麼電源濾波中電容對地腳為什麼要盡可能靠近地了.
2)那麼在實際的設計中,我們常常會有疑問,我怎麼知道電容的SFR是多少?就算我知道SFR值,我如何選取不同SFR值的電容值呢?是選取一個電容還是兩個電容?電容的SFR值和電容值有關,和電容的引腳電感有關,所以相同容值的0402,0603,或直插式電容的SFR值也不會相同,當然獲取SFR值的途徑有兩個:1)器件Data sheet,如22pf0402電容的SFR值在2G左右, 2)通過網絡分析儀直接量測其自諧振頻率,想想如何測量S21?知道了電容的SFR值後,用軟件仿真,如RFsim99,選一個或兩個電路在於你所供電電路的工作頻帶是否有足夠的噪聲抑製比.仿真完後,那就是實際電路試驗,如調試手機接收靈敏度時,LNA的電源濾波是關鍵,好的電源濾波往往可以改善幾個dB.
電容的本質是通交流,隔直流,理論上說電源濾波用電容越大越好.但由於引線和PCB布線原因,實際上電容是電感和電容的並聯電路,(還有電容本身的電阻,有時也不可忽略)這就引入了諧振頻率的概念:ω=1/(LC)1/2在諧振頻率以下電容呈容性,諧振頻率以上電容呈感性.因而一般大電容濾低頻波,小電容濾高頻波.這也能解釋為什麼同樣容值的STM封裝的電容濾波頻率比DIP封裝更高.至於到底用多大的電容,這是一個參考電容諧振頻率電容值 DIP (MHz) STM (MHz)
1.0μF 2.5 5
0.1μF 8 16
0.01μF 25 50
1000pF 80 160
100 pF 250 500
10 pF 800 1.6(GHz)
1.電容對地濾波,需要一個較小的電容並聯對地,對高頻信號提供了一個對地通路。
2.電源濾波中電容對地腳要盡可能靠近地。
3.理論上說電源濾波用電容越大越好,一般大電容濾低頻波,小電容濾高頻波。
4.可靠的做法是將一大一小兩個電容並聯,一般要求相差兩個數量級以上,以獲得更大的濾波頻段.(類似1)
濾波電容的選取原則
經jing過guo整zheng流liu橋qiao以yi後hou的de是shi脈mai動dong直zhi流liu,波bo動dong範fan圍wei很hen大da。後hou麵mian一yi般ban用yong大da小xiao兩liang個ge電dian容rong大da電dian容rong用yong來lai穩wen定ding輸shu出chu,眾zhong所suo周zhou知zhi電dian容rong兩liang端duan電dian壓ya不bu能neng突tu變bian,因yin此ci可ke以yi使shi輸shu出chu平ping滑hua小xiao電dian容rong是shi用yong來lai濾lv除chu高gao頻pin幹gan擾rao的de,使shi輸shu出chu電dian壓ya純chun淨jing電dian容rong越yue小xiao,諧xie振zhen頻pin率lv越yue高gao,可ke濾lv除chu的de幹gan擾rao頻pin率lv越yue高gao
容量選擇:(1)大電容,負載越重,吸收電流的能力越強,這個大電容的容量就要越大。(2)小電容,憑經驗,一般104即可,即0.1uF。
別人的經驗分享
1、電容對地濾波,需要一個較小的電容並聯對地,對高頻信號提供了一個對地通路。
2、電源濾波中電容對地腳要盡可能靠近地。
3、理論上說電源濾波用電容越大越好,一般大電容濾低頻波,小電容濾高頻波。
4、可靠的做法是將一大一小兩個電容並聯,一般要求相差兩個數量級以上,以獲得更大的濾波頻段.
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