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淺析電子之濾波電容選擇

ss ? 來源:網絡整理 ? 作者:工程師譚軍 ? 2018-10-07 11:43 ? 次閱讀
濾波電容
電容是兩個彼此靠近又相互絕緣的導體。
濾波電容是指安裝在整流電路兩端用以降低交流脈動波紋系數提升高效平滑直流輸出的一種儲能器件。由于濾波電路要求儲能電容有較大電容量。所以,絕大多數濾波電路使用電解電容。電解電容由于其使用電解質作為電極(負極)而得名。
作用
濾波電容用在電源整流電路中,用來濾除交流成分。使輸出的直流更平滑。而且對于精密電路而言,往往這個時候會采用并聯電容電路的組合方式來提高濾波電容的工作效果。
低頻濾波電容主要用于市電濾波或變壓器整流后的濾波,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后的濾波,其工作頻率為幾千Hz到幾萬Hz。濾波電容在開關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人員十分關心的問題。
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量級。為獲得更小的脈動系數,所需的電容量高達數十萬微法,因此普通低頻鋁電解電容器的目標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劣的主要參數。而開關電源中的輸出濾波電解電容器,其鋸齒波電壓頻率高達數萬赫茲,甚至是數十兆赫茲。這時電容量并不是其主要指標,衡量高頻鋁電解電容優劣的標準是“阻抗- 頻率”特性。要求在開關電源的工作頻率內要有較低的等效阻抗,同時對于半導體器件工作時產生的高頻尖峰信號具有良好的濾波作用。
普通的低頻電解電容器在萬赫茲左右便開始呈現感性,無法滿足開關電源的使用要求。而開關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,負極鋁片的兩端也分別引出作為負極。電流從四端電容的一個正端流入,經過電容內部,再從另一個正端流向負載;從負載返回的電流也從電容的一個負端流入,再從另一個負端流向電源負端 [3] 。
分類
一般情況下,電解電容的作用是過濾掉電流中的低頻信號,但即使是低頻信號,其頻率也分為了好幾個數量級。因此為了適合在不同頻率下使用,電解電容也分為高頻電容和低頻電容(這里的高頻是相對而言):
(1)低頻濾波電容主要用于市電濾波或變壓器整流后的濾波,其工作頻率和市電一致為50Hz。
(2)高頻濾波電容主要工作在開關電源整流后的濾波,其工作頻率為幾千Hz到幾萬Hz。
特點
溫升低
諧波濾波器回路由電容器串聯電抗器組成,在某一諧波階次形成最低阻抗,用以吸收大量諧波電流,電容器的質量會影響諧波濾波器的穩定吸收效果,電容器的使用壽命跟溫度有很大的關系,溫度越高壽命越低,濾波全膜電容器具有溫升低等特點,可以保證其使用壽命。
損耗低
介質損耗角正切值(tgδ):≤0.0003。
安全性
符合GB、IEC標準,內部單體電容器均附裝保護裝置;當線路或單體電容器發生異常時,該保護裝置將會立即動作,自動切斷電源,以防二次災害的發生。附裝放電電阻,可確保用電及維護保養之安全。外殼采用鋼板沖壓而成,內外部涂上耐候性良好之高溫烤漆安全性特高。
便捷性
體積小且重量輕,搬運安裝極為方便

對于低頻率電路來說,濾波電容越大,紋波越小,濾波效果越好,但濾波電容越大,其等效串聯電阻也越大,電源的高頻內阻也越大,一般在大容量濾波電容的兩端都會并聯上一個小容量的無極性CBB電容,降低電源的高頻內阻。提高濾波效果。

另外,濾波電容太大,電路在上電瞬間,電源對電容的充電電流會達到很大值,如果充電電流過大,超過了整流二極管的IF,二極管會燒掉。

深入理解電容器的等效串聯電阻(ESR)

電容器的主要技術指標有電容量、耐壓值、耐溫值。除了這三個主要指標外,其他指標中較重要的就是等效串聯電阻(ESR)了。有的電容器上有一條金色的帶狀線,上面印有一個大大的空心字母“I”,它表示該電容屬于LOW ESR低損耗電容。有的電容還會標出ESR值(等效串聯電阻),ESR越低,損耗越小,輸出電流就越大,電容器的品質越高。

ESR是Equivalent Series Resistance的縮寫,即“等效串聯電阻”。理想的電容自身不會有任何能量損失,但實際上,因為制造電容的材料有電阻,電容的絕緣介質有損耗。這個損耗在外部,表現為就像一個電阻跟電容串聯在一起,所以就稱為“等效串聯電阻”。和ESR類似的另外一個概念是ESL,也就是等效串聯電感。早期的卷制電感經常有很高的ESL,容量越大的電容,ESL一般也越大。ESL經常會成為ESR的一部分,并且ESL會引起串聯諧振等現象。但是相對電容量來說,ESL的比例很小,出現問題的幾率很小,后來由于電容制作工藝的提高,現在已經逐漸忽略ESL,而把ESR作為除容量、耐壓值、耐溫值之外選用電容器的主要參考因素了。

串聯等效電阻ESR的單位是毫歐(mΩ)。通常鉭電容的ESR通常都在100毫歐以下,而鋁電解電容則高于這個數值,有些種類電容的 ESR甚至會高達數歐姆。ESR的高低,與電容器的容量、電壓、頻率及溫度都有關系,當額定電壓固定時,容量愈大 ESR愈低。同樣當容量固定時,選用高的額定電壓的品種也能降低 ESR;故選用耐壓高的電容確實有許多好處;低頻時ESR高,高頻時ESR低;高溫也會造成ESR的升高。

現在電子技術正朝著低電壓高電流電路的設計方向發展,供應給元器件的電壓呈現越來越低的趨勢,但對功率的要求卻絲毫沒有降低。按P=UI的公式來計算,要獲得同樣的功率,電壓降低了,那就必須得增大電流。例如INTEL、AMD最新CPU,電壓均小于2V,和以前3、 4V的電壓相比低得多。但另一方面這些芯片由于晶體管和頻率的激增,需求的功耗卻是增大了許多,對電流的要求就越來越高了。例如兩顆功率都是70W的CPU,前者電壓是3.3V,后者電壓是1.8V。那么,前者的電流I=P/U=70W/3.3V=21.2A;而后者的電流I=P/U=70W/1.8V=38.9A,將近是前者電流的兩倍。在通過電容的電流越來越高的情況下,假如電容的ESR值不能保持在一個較小的范圍,那么就會產生更高的紋波電壓(理想的輸出直流電壓應該是一條水平線,而紋波電壓則是水平線上的波峰和波谷),因此就促使工程師在設計時,要使用最小的ESR電容器。

ESR值與紋波電壓的關系可以用公式V=R(ESR)×I表示。這個公式中的V就表示紋波電壓,而R表示電容的ESR,I表示電流??梢钥吹?,當電流增大的時候,即使在ESR保持不變的情況下,紋波電壓也會成倍提高,因此采用更低ESR值的電容是勢在必行的。

此外,即使是相同的紋波電壓,對低電壓電路的影響也要比在高電壓情況下更大。例如對于3.3V的CPU而言,0.2V紋波電壓所占比例較小,不足以形成很大的影響,但是對于1.8V的CPU,同樣是0.2V的紋波電壓,其所占的比例就足以造成數字電路的判斷失誤。

例如《電子報》2007年第26期17版的《由NCP1200構成的12V、1A開關電源》的文章中,對開關變壓器次級二極管整流后的LCπ型濾波器中電容C6、C7的要求就是“要選用等效串聯電阻小的優質電解電容,等效電阻不僅會影響轉換率還會影響輸出紋波電壓。”

ESR是等效“串聯”電阻,將兩個電容串聯,會使ESR值增大,而并聯則會使之減小。因此在需要更低ESR的場合,而低ESR的大容量電容價格又相對昂貴的情況下,用多個ESR相對高的鋁電解電容并聯,形成一個低ESR的大容量電容也是一種常用的辦法。很多開關電源采取的電容并聯的策略,以犧牲一定的PCB空間,換來器件成本的減少。

不過一定等效串聯電阻的存在也有好的方面。比如在穩壓電路中,有一定ESR的電容,在負載發生瞬變的時候,會立即產生波動而引發反饋電路動作,這個快速的響應,以犧牲一定的瞬態性能為代價,獲取了后續的快速調整能力,尤其是功率管的響應速度比較慢,而且在電容器的體積、容量受到嚴格限制的情況。這種情況多見于一些使用MOS管做調整管的三端穩壓器或相似的電路中,采用太低的ESR電容器反而會降低整體的性能


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