【深度】關(guān)于濾波電容、去耦電容、旁路電容作用及其原理

2017-06-20  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

一

濾波電容、去耦電容、旁路電容作用及原理

從電路來說,總是存在驅(qū)動的源和被驅(qū)動的負(fù)載。如果負(fù)載電容比較大,驅(qū)動電路要把電容充電、放電,才能完成信號的跳變,在上升沿比較陡峭的時候,電流比較大,這樣驅(qū)動的電流就會吸收很大的電源電流,由于電路中的電感,電阻(特別是芯片管腳上的電感,會產(chǎn)生反彈),這種電流相對于正常情況來說實際上就是一種噪聲,會影響前級的正常工作。這就是耦合。

去藕電容就是起到一個電池的作用,滿足驅(qū)動電路電流的變化,避免相互間的耦合干擾。

旁路電容實際也是去藕合的,只是旁路電容一般是指高頻旁路,也就是給高頻的開關(guān)噪聲提高一條低阻抗泄防途徑。高頻旁路電容一般比較小,根據(jù)諧振頻率一般是0.1u,0.01u等,而去耦合電容一般比較大,是10u或者更大,依據(jù)電路中分布參數(shù),以及驅(qū)動電流的變化大小來確定。

去耦和旁路都可以看作濾波。去耦電容相當(dāng)于電池,避免由于電流的突變而使電壓下降,相當(dāng)于濾紋波。具體容值可以根據(jù)電流的大小、期望的紋波大小、作用時間的大小來計算。去耦電容一般都很大,對更高頻率的噪聲,基本無效。旁路電容就是針對高頻來的,也就是利用了電容的頻率阻抗特性。電容一般都可以看成一個RLC串聯(lián)模型。在某個頻率,會發(fā)生諧振,此時電容的阻抗就等于其ESR。如果看電容的頻率阻抗曲線圖,就會發(fā)現(xiàn)一般都是一個V形的曲線。具體曲線與電容的介質(zhì)有關(guān),所以選擇旁路電容還要考慮電容的介質(zhì),一個比較保險的方法就是多并幾個電容。

去耦電容在集成電路電源和地之間的有兩個作用:一方面是本集成電路的蓄能電容,另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。數(shù)字電路中典型的去耦電容值是0.1μF。這個電容的分布電感的典型值是5μH。0.1μF的去耦電容有5μH的分布電感,它的并行共振頻率大約在7MHz左右,也就是說,對于10MHz以下的噪聲有較好的去耦效果,對40MHz以上的噪聲幾乎不起作用。1μF、10μF的電容,并行共振頻率在20MHz以上,去除高頻噪聲的效果要好一些。每10片左右集成電路要加一片充放電電容,或1個蓄能電容,可選10μF左右。最好不用電解電容,電解電容是兩層薄膜卷起來的,這種卷起來的結(jié)構(gòu)在高頻時表現(xiàn)為電感。要使用鉭電容或聚碳酸酯電容。去耦電容的選用并不嚴(yán)格,可按C=1/F,即10MHz取0.1μF,100MHz取0.01μF。

退耦原理: (去耦即退耦)

高手和前輩們總是告訴我們這樣的經(jīng)驗法則:“在電路板的電源接入端放置一個1~10μF的電容,濾除低頻噪聲;在電路板上每個器件的電源與地線之間放置一個0.01~0.1μF的電容,濾除高頻噪聲?！痹跁昀锬軌虻玫降拇蠖鄶?shù)的高速PCB設(shè)計、高速數(shù)字電路設(shè)計的經(jīng)典教程中也不厭其煩的引用該首選法則(老外俗稱Rule of Thumb)。但是為什么要這樣使用呢?

首先就我的理解介紹兩個常用的簡單概念。

什么是旁路?旁路(Bypass),是指給信號中的某些有害部分提供一條低阻抗的通路。電源中高頻干擾是典型的無用成分,需要將其在進(jìn)入目標(biāo)芯片之前提前干掉,一般我們采用電容到達(dá)該目的。用于該目的的電容就是所謂的旁路電容(Bypass Capacitor),它利用了電容的頻率阻抗特性(理想電容的頻率特性隨頻率的升高,阻抗降低,這個地球人都知道),可以看出旁路電容主要針對高頻干擾(高是相對的,一般認(rèn)為20MHz以上為高頻干擾,20MHz以下為低頻紋波)。

什么是退耦?退耦(Decouple), 最早用于多級電路中,為保證前后級間傳遞信號而不互相影響各級靜態(tài)工作點的而采取的措施。在電源中退耦表示,當(dāng)芯片內(nèi)部進(jìn)行開關(guān)動作或輸出發(fā)生變化時,需 要瞬時從電源在線抽取較大電流,該瞬時的大電流可能導(dǎo)致電源在線電壓的降低,從而引起對自身和其他器件的干擾。為了減少這種干擾,需要在芯片附近設(shè)置一個 儲電的“小水池”以提供這種瞬時的大電流能力。

在電源電路中,旁路和退耦都是為了減少電源噪聲。旁路主要是為了減少電源上的噪聲對器件本身的干擾(自我保護(hù));退耦是為了減少器件產(chǎn)生的噪聲對電源的干擾(家丑不外揚)。有人說退耦是針對低頻、旁路是針對高頻,我認(rèn)為這樣說是不準(zhǔn)確的,高速芯片內(nèi)部開關(guān)操作可能高達(dá)上GHz,由此引起對電源線的干擾明顯已經(jīng)不屬于低頻的范圍,為此目的的退耦電容同樣需要有很好的高頻特性。本文以下討論中并不刻意區(qū)分退耦和旁路,認(rèn)為都是為了濾除噪聲,而不管該噪聲的來源。

簡單說明了旁路和退耦之后,我們來看看芯片工作時是怎樣在電源線上產(chǎn)生干擾的。我們建立一個簡單的IO Buffer模型,輸出采用圖騰柱IO驅(qū)動電路,由兩個互補MOS管組成的輸出級驅(qū)動一個帶有串聯(lián)源端匹配電阻的傳輸線(傳輸線阻抗為Z0)。

設(shè)電源引腳和地引腳的封裝電感和引線電感之和分別為:Lv和Lg。兩個互補的MOS管(接地的NMOS和接電源的PMOS)簡單作為開關(guān)使用。假設(shè)初始時刻傳輸在線各點的電壓和電流均為零,在某一時刻器件將驅(qū)動傳輸線為高電平,這時候器件就需要從電源管腳吸收電流。在時間T1,使PMOS管導(dǎo)通,電流從PCB板上的VCC流入,流經(jīng)封裝電感Lv,跨越PMOS管,串聯(lián)終端電阻,然后流入傳輸線,輸出電流幅度為VCC/(2×Z0)。電流在傳輸線網(wǎng)絡(luò)上持續(xù)一個完整的返回(Round-Trip)時間,在時間T2結(jié)束。之后整個傳輸線處于電荷充滿狀態(tài),不需要額外流入電流來維持。當(dāng)電流瞬間涌過封裝電感Lv時,將在芯片內(nèi)部的電源提供點產(chǎn)生電壓被拉低的擾動。該擾動在電源中被稱之為同步開關(guān)噪聲(SSN,Simultaneous Switching Noise;SSO,Simultaneous Switching Output Noise)或Delta I噪聲。

在時間T3,關(guān)閉PMOS管,這一動作不會導(dǎo)致脈沖噪聲的產(chǎn)生,因為在此之前PMOS管一直處于打開狀態(tài)且沒有電流流過的。同時打開NMOS管,這時傳輸線、地平面、封裝電感Lg以及NMOS管形成一回路,有瞬間電流流過開關(guān)B,這樣在芯片內(nèi)部的地結(jié)點處產(chǎn)生參考電平點被抬高的擾動。該擾動在電源系統(tǒng)中被稱之為地彈噪聲(Ground Bounce,我個人讀著地tan)。

實際電源系統(tǒng)中存在芯片引腳、PCB走線、電源層、底層等任何互聯(lián)機(jī)都存在一定電感值,因此上面就IC級分析的SSN和地彈噪聲在進(jìn)行Board Level分析時,以同樣的方式存在,而不僅僅局限于芯片內(nèi)部。就整個電源分布系統(tǒng)來說(Power Distribute System)來說,這就是所謂的電源電壓塌陷噪聲。因為芯片輸出的開關(guān)操作以及芯片內(nèi)部的操作,需要瞬時的從電源抽取較大的電流,而電源特性來說不能快速響應(yīng)該電流變化,高速開關(guān)電源開關(guān)頻率也僅有MHz量級。為了保證芯片附近電源在線的電壓不至于因為SSN和地彈噪聲降低超過器件手冊規(guī)定的容限,這就需要在芯片附近為高速電流需求提供一個儲能電容,這就是我們所要的退耦電容。

所以電容重要分布參數(shù)的有三個:等效串聯(lián)電阻ESR 等效串聯(lián)電感ESL 、等效并聯(lián)電阻EPR Rp 。其中最重要的是ESR、 ESL,實際在分析電容模型的時候一般只用RLC簡化模型,即分析電容的C、ESR、ESL。因為寄生參數(shù)的影響,尤其是ESL的影響,實際電容的頻率特性表現(xiàn)出阻抗和頻率成“V”字形的曲線,低頻時隨頻率的升高,電容阻抗降低;當(dāng)?shù)阶畹忘c時,電容阻抗等于ESR;之后隨頻率的升高,阻抗增加,表現(xiàn)出電感特性(歸功于ESL)。因此對電容的選擇需要考慮的不僅僅是容值,還需要綜合考慮其他因素。

所有考慮的出發(fā)點都是為了降低電源地之間的感抗(滿足電源最大容抗的條件下),在有瞬時大電流流過電源系統(tǒng)時,不至于產(chǎn)生大的噪聲干擾芯片的電源地引腳。

電容的頻率特性

當(dāng)頻率很高時,電容不再被當(dāng)做集總參數(shù)看待,寄生參數(shù)的影響不可忽略。寄生參數(shù)包括Rs,等效串聯(lián)電阻(ESR)和Ls等效串聯(lián)電感(ESL)。電容器實際等效電路如圖1所示,其中C為靜電容,1Rp為泄漏電阻,也稱為絕緣電阻,值越大(通常在GΩ級以上),漏電越小,性能也就越可靠。因為Pp通常很大(GΩ級以上),所以在實際應(yīng)用中可以忽略,Cda和Rda分別為介質(zhì)吸收電容和介質(zhì)吸收電阻。介質(zhì)吸收是一種有滯后性質(zhì)的內(nèi)部電荷分布,它使快速放電后處于開路狀態(tài)的電容器恢復(fù)一部分電荷。

ESR和ESL對電容的高頻特性影響最大,所以常用如圖1(b)所示的串聯(lián)RLC簡化模型,可以計算出諧振頻率和等效阻抗:

  

圖1 去耦電容模型圖

  

電容器串聯(lián)RLC模型的頻域阻抗圖如圖2所示,電容器在諧振頻率以下表現(xiàn)為容性;在諧振頻率以上時表現(xiàn)為感性,此時的電容器的去耦作用逐漸減弱。同時還發(fā)現(xiàn),電容器的等效阻抗隨著頻率的增大先減小后增大,等效阻抗最小值為發(fā)生在串聯(lián)諧振頻率處的ESR。

  

圖2 電容器串聯(lián)RLC模型的頻域阻抗圖

由諧振頻率式(4-8)可得出,容值大小和ESL值的變化都會影響電容器的諧振頻率,如圖3所示。由于電容在諧振點的阻抗最低,所以設(shè)計時盡量選用fR和實際工作頻率相近的電容。在工作頻率變化范圍很大的環(huán)境中,可以同時考慮一些fR較小的大電容與fR較大的小電容混合使用。

二

電容的工作原理、分類選擇與應(yīng)用

話說電容之一:電容的作用

作為無源元件之一的電容,其作用不外乎以下幾種:

1、應(yīng)用于電源電路,實現(xiàn)旁路、去藕、濾波和儲能的作用。下面分類詳述之:

1)旁路

旁路電容是為本地器件提供能量的儲能器件,它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化,降低負(fù)載需求。 就像小型可充電電池樣,旁路電容能夠被充電,并向器件進(jìn)行放電。 為盡量減少阻抗,旁路電容要盡量靠近負(fù)載器件的供電電源管腳和地管腳。 這能夠很好地防止輸入值過大而導(dǎo)致的地電位抬高和噪聲。地彈是地連接處在通過大電流毛刺時的電壓降。

2)去藕

去藕,又稱解藕。 從電路來說, 總是可以區(qū)分為驅(qū)動的源和被驅(qū)動的負(fù)載。如果負(fù)載電容比較大, 驅(qū)動電路要把電容充電、放電, 才能完成信號的跳變,在上升沿比較陡峭的時候, 電流比較大, 這樣驅(qū)動的電流就會吸收很大的電源電流,由于電路中的電感,電阻(特別是芯片管腳上的電感,會產(chǎn)生反彈),這種電流相對于正常情況來說實際上就是一種噪聲,會影響前級的正常工作,這就是所謂的“耦合”。

去藕電容就是起到一個“電池”的作用,滿足驅(qū)動電路電流的變化,避免相互間的耦合干擾。將旁路電容和去藕電容結(jié)合起來將更容易理解。旁路電容實際也是去藕合的,只是旁路電容一般是指高頻旁路,也就是給高頻的開關(guān)噪聲高一條低阻抗泄防途徑。高頻旁路電容一般比較小,根據(jù)諧振頻率一般取0.1μF、0.01μF 等;而去耦合電容的容量一般較大,可能是10μF 或者更大,依據(jù)電路中分布參數(shù)、以及驅(qū)動電流的變化大小來確定。

旁路是把輸入信號中的干擾作為濾除對象,而去耦是把輸出信號的干擾作為濾除對象,防止干擾信號返回電源。這應(yīng)該是他們的本質(zhì)區(qū)別。

3)濾波

從理論上(即假設(shè)電容為純電容)說,電容越大,阻抗越小,通過的頻率也越高。但實際上超過1μF 的電容大多為電解電容,有很大的電感成份,所以頻率高后反而阻抗會增大。有時會看到有一個電容量較大電解電容并聯(lián)了一個小電容,這時大電容通低頻,小電容通高頻。電容的作用就是通高阻低,通高頻阻低頻。電容越小低頻越容易通過,電容越大高頻越容易通過。具體用在濾波中,大電容(1000μF)濾低頻,小電容(20pF)濾高頻。曾有網(wǎng)友形象地將濾波電容比作“水塘”。由于電容的兩端電壓不會突變,由此可知,信號頻率越高則衰減越大,可很形象的說電容像個水塘,不會因幾滴水的加入或蒸發(fā)而引起水量的變化。它把電壓的變動轉(zhuǎn)化為電流的變化,頻率越高,峰值電流就越大,從而緩沖了電壓。濾波就是充電,放電的過程。

4)儲能

儲能型電容器通過整流器收集電荷,并將存儲的能量通過變換器引線傳送至電源的輸出端。 電壓額定值為40~450VDC、電容值在220~150 000μF 之間的鋁電解電容器(如EPCOS 公司的 B43504 或B43505)是較為常用的。根據(jù)不同的電源要求,器件有時會采用串聯(lián)、并聯(lián)或其組合的形式, 對于功率級超過10KW 的電源,通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容器。

2、應(yīng)用于信號電路,主要完成耦合、振蕩/同步及時間常數(shù)的作用:

1)耦合

舉個例子來講,晶體管放大器發(fā)射極有一個自給偏壓電阻,它同時又使信號產(chǎn)生壓降反饋到輸入端形成了輸入輸出信號耦合, 這個電阻就是產(chǎn)生了耦合的元件,如果在這個電阻兩端并聯(lián)一個電容, 由于適當(dāng)容量的電容器對交流信號 較小的阻抗,這樣就減小了電阻產(chǎn)生的耦合效應(yīng),故稱此電容為去耦電容。

2)振蕩/同步

包括RC、LC 振蕩器及晶體的負(fù)載電容都屬于這一范疇。

3)時間常數(shù)

這就是常見的 R、C 串聯(lián)構(gòu)成的積分電路。當(dāng)輸入信號電壓加在輸入端時,電容(C)上的電壓逐漸上升。而其充電電流則隨著電壓的上升而減小。電流通過電阻(R)、電容(C)的特性通過下面的公式描述:

i = (V / R)e - (t / CR)

話說電容之二:電容的選擇

通常,應(yīng)該如何為我們的電路選擇一顆合適的電容呢?筆者認(rèn)為,應(yīng)基于以 下幾點考慮:

1、靜電容量;

2、額定耐壓;

3、容值誤差;

4、直流偏壓下的電容變化量;

5、噪聲等級;

6、電容的類型;

7、電容的規(guī)格。

那么,是否有捷徑可尋呢?其實,電容作為器件的外圍元件,幾乎每個器件的 Datasheet 或者 Solutions,都比較明確地指明了外圍元件的選擇參數(shù),也就是說,據(jù)此可以獲得基本的器件選擇要求,然后再進(jìn)一步完善細(xì)化之。其實選用電容時不僅僅是只看容量和封裝,具體要看產(chǎn)品所使用環(huán)境,特殊的電路必須用特殊的電容。

下面是 chip capacitor 根據(jù)電介質(zhì)的介電常數(shù)分類, 介電常數(shù)直接影響電

路的穩(wěn)定性。

NP0 or CH (K 《 150): 電氣性能最穩(wěn)定,基本上不隨溫度﹑電壓與時間的改變而改變,適用于對穩(wěn)定性要求高的高頻電路。鑒于K 值較小,所以在0402、0603、0805 封裝下很難有大容量的電容。如 0603 一般最大的 10nF以下。X7R or YB (2000 《 K 《 4000): 電氣性能較穩(wěn)定,在溫度﹑電壓與時間改變時性能的變化并不顯著(?C 《 ±10%)。適用于隔直、偶合、旁路與對容量穩(wěn)定性要求不太高的全頻鑒電路。Y5V or YF(K 》 15000): 容量穩(wěn)定性較 X7R 差(?C 《 +20% ~ -80%),容量﹑損耗對溫度、電壓等測試條件較敏感,但由于其K 值較大,所以適用于一些容值要求較高的場合。

話說電容之三:電容的分類

電容的分類方式及種類很多,基于電容的材料特性,其可分為以下幾大類:

1、鋁電解電容

電容容量范圍為0.1μF ~ 22000μF,高脈動電流、長壽命、大容量的不二之選,廣泛應(yīng)用于電源濾波、解藕等場合。

2、薄膜電容

電容容量范圍為0.1pF ~ 10μF,具有較小公差、較高容量穩(wěn)定性及極低的壓電效應(yīng),因此是X、Y 安全電容、EMI/EMC 的首選。

3、鉭電容

電容容量范圍為2.2μF ~ 560μF,低等效串聯(lián)電阻(ESR)、低等效串聯(lián) 電感(ESL)。脈動吸收、瞬態(tài)響應(yīng)及噪聲抑制都優(yōu)于鋁電解電容,是高穩(wěn)定電源的理想選擇。

4、陶瓷電容

電容容量范圍為0.5pF ~ 100μF,獨特的材料和薄膜技術(shù)的結(jié)晶,迎合了當(dāng)今“更輕、更薄、更節(jié)能“的設(shè)計理念。

5、超級電容

電容容量范圍為0.022F ~ 70F,極高的容值,因此又稱做“金電容”或者“法拉電容”。主要特點是:超高容值、良好的充/放電特性,適合于電能存儲 和電源備份。缺點是耐壓較低,工作溫度范圍較窄。

話說電容之四:多層陶瓷電容(MLCC)

對于電容而言,小型化和高容量是永恒不變的發(fā)展趨勢。其中,要數(shù)多層陶瓷電容(MLCC)的發(fā)展最快。

多層陶瓷電容在便攜產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用極為廣泛,但近年來數(shù)字產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步對其提出了新要求。例如,手機(jī)要求更高的傳輸速率和更高的性能;基帶處理器要求高速度、低電壓;LCD 模塊要求低厚度(0.5mm)、大容量電容。 而汽車環(huán)境的苛刻性對多層陶瓷電容更有特殊的要求:首先是耐高溫,放置于其中的多層陶瓷電容必須能滿足150℃ 的工作溫度;其次是在電池電路上需要短路失效保護(hù)設(shè)計。

也就是說,小型化、高速度和高性能、耐高溫條件、高可靠性已成為陶瓷電容的關(guān)鍵特性。

陶瓷電容的容量隨直流偏置電壓的變化而變化。直流偏置電壓降低了介電常數(shù), 因此需要從材料方面,降低介電常數(shù)對電壓的依賴,優(yōu)化直流偏置電壓特性。

應(yīng)用中較為常見的是 X7R(X5R)類多層陶瓷電容, 它的容量主要集中在1000pF 以上,該類電容器主要性能指標(biāo)是等效串聯(lián)電阻(ESR),在高波紋電 流的電源去耦、濾波及低頻信號耦合電路的低功耗表現(xiàn)比較突出。

另一類多層陶瓷電容是 C0G 類,它的容量多在 1000pF 以下, 該類電容器主要性能指標(biāo)是損耗角正切值 tgδ(DF)。傳統(tǒng)的貴金屬電極(NME)的 C0G 產(chǎn)品 DF 值范圍是 (2.0 ~ 8.0) × 10-4,而技術(shù)創(chuàng)新型賤金屬電極(BME)的C0G 產(chǎn)品 DF 值范圍為 (1.0 ~ 2.5) × 10-4, 約是前者的 31 ~ 50%。 該 類產(chǎn)品在載有 T/R 模塊電路的 GSM、CDMA、無繩電話、藍(lán)牙、GPS 系統(tǒng)中低功耗特性較為顯著。較多用于各種高頻電路,如振蕩/同步器、定時器電路等。

話說電容之五:鉭電容

替代電解電容的誤區(qū)通常的看法是鉭電容性能比鋁電容好,因為鉭電容的介質(zhì)為陽極氧化后生成 的五氧化二鉭,它的介電能力(通常用ε 表示)比鋁電容的三氧化二鋁介質(zhì)要高。

因此在同樣容量的情況下,鉭電容的體積能比鋁電容做得更小。(電解電容的電 容量取決于介質(zhì)的介電能力和體積,在容量一定的情況下,介電能力越高,體積 就可以做得越小,反之,體積就需要做得越大)再加上鉭的性質(zhì)比較穩(wěn)定,所以 通常認(rèn)為鉭電容性能比鋁電容好。

但這種憑陽極判斷電容性能的方法已經(jīng)過時了,目前決定電解電容性能的關(guān) 鍵并不在于陽極,而在于電解質(zhì),也就是陰極。因為不同的陰極和不同的陽極可 以組合成不同種類的電解電容,其性能也大不相同。采用同一種陽極的電容由于 電解質(zhì)的不同,性能可以差距很大,總之陽極對于電容性能的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陰極。 還有一種看法是認(rèn)為鉭電容比鋁電容性能好,主要是由于鉭加上二氧化錳陰 極助威后才有明顯好于鋁電解液電容的表現(xiàn)。如果把鋁電解液電容的陰極更換為 二氧化錳, 那么它的性能其實也能提升不少。

可以肯定,ESR 是衡量一個電容特性的主要參數(shù)之一。 但是,選擇電容,應(yīng)避免 ESR 越低越好,品質(zhì)越高越好等誤區(qū)。衡量一個產(chǎn)品,一定要全方位、 多角度的去考慮,切不可把電容的作用有意無意的夸大。

---以上引用了部分網(wǎng)友的經(jīng)驗總結(jié)。

普通電解電容的結(jié)構(gòu)是陽極和陰極和電解質(zhì),陽極是鈍化鋁,陰極是純鋁, 所以關(guān)鍵是在陽極和電解質(zhì)。陽極的好壞關(guān)系著耐壓電介系數(shù)等問題。

一般來說,鉭電解電容的ESR 要比同等容量同等耐壓的鋁電解電容小很多, 高頻性能更好。如果那個電容是用在濾波器電路(比如中心為50Hz 的帶通濾波益。然而,這需要你在PCB 面積、器件數(shù)目與成本之間尋求折衷。

話說電容之六:電解電容的電參數(shù)

這里的電解電容器主要指鋁電解電容器,其基本的電參數(shù)包括下列五點:

1、電容值

電解電容器的容值,取決于在交流電壓下工作時所呈現(xiàn)的阻抗。因此容值, 也就是交流電容值,隨著工作頻率、電壓以及測量方法的變化而變化。在標(biāo)準(zhǔn) JISC 5102 規(guī)定:鋁電解電容的電容量的測量條件是在頻率為 120Hz,最大交 流電壓為 0.5Vrms,DC bias 電壓為1.5 ~ 2.0V 的條件下進(jìn)行?？梢詳嘌? 鋁電解電容器的容量隨頻率的增加而減小。

2、損耗角正切值 Tan δ

在電容器的等效電路中,串聯(lián)等效電阻 ESR 同容抗 1/ωC 之比稱之為 Tan δ, 這里的 ESR 是在 120Hz 下計算獲得的值。顯然,Tan δ 隨著測量頻率 的增加而變大,隨測量溫度的下降而增大。

3、阻抗 Z

在特定的頻率下,阻礙交流電流通過的電阻即為所謂的阻抗(Z)。它與電 容等效電路中的電容值、電感值密切相關(guān),且與 ESR 也有關(guān)系。

Z = √ [ESR2 + (XL - XC)2 ]

式中,XC = 1 / ωC = 1 / 2πfC

XL = ωL = 2πfL

電容的容抗(XC)在低頻率范圍內(nèi)隨著頻率的增加逐步減小,頻率繼續(xù)增加 達(dá)到中頻范圍時電抗(XL)降至 ESR 的值。當(dāng)頻率達(dá)到高頻范圍時感抗(XL) 變?yōu)橹鲗?dǎo),所以阻抗是隨著頻率的增加而增加。

4、漏電流

電容器的介質(zhì)對直流電流具有很大的阻礙作用。然而,由于鋁氧化膜介質(zhì)上 浸有電解液,在施加電壓時,重新形成的以及修復(fù)氧化膜的時候會產(chǎn)生一種很小 的稱之為漏電流的電流。通常,漏電流會隨著溫度和電壓的升高而增大。

5、紋波電流和紋波電壓

在一些資料中將此二者稱做“漣波電流”和“漣波電壓”,其實就是 ripple current,ripple voltage。 含義即為電容器所能耐受紋波電流/電壓值。 它們和ESR 之間的關(guān)系密切,可以用下面的式子表示:

Urms = Irms × R

式中,Vrms 表示紋波電壓

Irms 表示紋波電流

R 表示電容的 ESR

由上可見,當(dāng)紋波電流增大的時候,即使在 ESR 保持不變的情況下,漣波電壓也會成倍提高。換言之,當(dāng)紋波電壓增大時,紋波電流也隨之增大,這也是要求電容具備更低 ESR 值的原因。疊加入紋波電流后,由于電容內(nèi)部的等效串連電阻(ESR)引起發(fā)熱,從而影響到電容器的使用壽命。一般的,紋波電流與 頻率成正比,因此低頻時紋波電流也比較低。

話說電容之七:電容器參數(shù)的基本公式

1、容量(法拉)

英制: C = ( 0.224 × K · A) / TD

公制: C = ( 0.0884 × K · A) / TD

2、電容器中存儲的能量

E = 1/2 CV2

3、電容器的線性充電量

I = C (dV/dt)

4、電容的總阻抗(歐姆)

Z = √ [ RS

2 + (XC – XL)2 ]

5、容性電抗(歐姆)

XC = 1/(2πfC)

6、相位角 Ф

理想電容器:超前當(dāng)前電壓 90o

理想電感器:滯后當(dāng)前電壓 90o

理想電阻器:與當(dāng)前電壓的相位相同

7、耗散系數(shù) (%)

D.F. = tan δ (損耗角)

= ESR / XC

= (2πfC)(ESR)

8、品質(zhì)因素

Q = cotan δ = 1/ DF

9、等效串聯(lián)電阻ESR(歐姆)

ESR = (DF) XC = DF/ 2πfC

10、功率消耗

Power Loss = (2πfCV2) (DF)

11、功率因數(shù)

PF = sin δ (loss angle) – cos Ф (相位角)

12、均方根

rms = 0.707 × Vp

13、千伏安KVA (千瓦)

KVA = 2πfCV2 × 10-3

14、電容器的溫度系數(shù)

T.C. = [ (Ct – C25) / C25 (Tt – 25) ] × 106

15、容量損耗(%)

CD = [ (C1 – C2) / C1 ] × 100

16、陶瓷電容的可靠性

L0 / Lt = (Vt / V0) X (Tt / T0)Y

17、串聯(lián)時的容值

n 個電容串聯(lián):1/CT = 1/C1 + 1/C2 + ,,。 + 1/Cn

兩個電容串聯(lián):CT = C1 · C2 / (C1 + C2)

18、并聯(lián)時的容值

CT = C1 + C2 + ,,。 + Cn

19、重復(fù)次數(shù)(Againg Rate)

A.R. = % △C / decade of time

上述公式中的符號說明如下:

K = 介電常數(shù)

A = 面積

TD = 絕緣層厚度

V = 電壓

t = 時間

RS = 串聯(lián)電阻

f = 頻率

L = 電感感性系數(shù)

δ = 損耗角

Ф = 相位角

L0 = 使用壽命

Lt = 試驗壽命

Vt = 測試電壓

V0 = 工作電壓

Tt = 測試溫度

T0 = 工作溫度

X , Y = 電壓與溫度的效應(yīng)指數(shù)。

話說電容之八:電源輸入端的X,Y 安全電容

在交流電源輸入端,一般需要增加三個電容來抑制EMI 傳導(dǎo)干擾。交流電源的輸入一般可分為三根線:火線(L)/零線(N)/地線(G)。在火線和地線之間及在零線和地線之間并接的電容,一般稱之為Y 電容。這兩個Y電容連接的位置比較關(guān)鍵,必須需要符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn),以防引起電子設(shè)備漏電或機(jī)殼帶電,容易危及人身安全及生命,所以它們都屬于安全電容,要求電容值不能偏大,而耐壓必須較高。一般地,工作在亞熱帶的機(jī)器,要求對地漏電電流不能超0.7mA;工作在溫帶機(jī)器,要求對地漏電電流不能超過0.35mA。因此,Y 電容的總?cè)萘恳话愣疾荒艹^4700pF。

特別提示:Y 電容為安全電容,必須取得安全檢測機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。Y 電容的耐壓一般都標(biāo)有安全認(rèn)證標(biāo)志和AC250V 或AC275V 字樣,但其真正的直流耐壓高達(dá)5000V 以上。因此,Y 電容不能隨意使用標(biāo)稱耐壓AC250V,或DC400V之類的普通電容來代用。

在火線和零線抑制之間并聯(lián)的電容,一般稱之為X 電容。由于這個電容連接的位置也比較關(guān)鍵,同樣需要符合安全標(biāo)準(zhǔn)。因此,X 電容同樣也屬于安全電容之一。X 電容的容值允許比Y 電容大,但必須在X 電容的兩端并聯(lián)一個安全電阻,用于防止電源線拔插時,由于該電容的充放電過程而致電源線插頭長時間帶電。安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,當(dāng)正在工作之中的機(jī)器電源線被拔掉時,在兩秒鐘內(nèi),電源線插頭兩端帶電的電壓(或?qū)Φ仉娢?必須小于原來額定工作電壓的30%。同理,X 電容也是安全電容,必須取得安全檢測機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。X 電容的耐壓一般都標(biāo)有安全認(rèn)證標(biāo)志和AC250V 或AC275V 字樣,但其真正的直流耐壓高達(dá)2000V 以上,使用的時候不要隨意使用標(biāo)稱耐壓AC250V,或DC400V 之類的普通電容來代用。

X 電容一般都選用紋波電流比較大的聚脂薄膜類電容,這種電容體積一般都很大,但其允許瞬間充放電的電流也很大,而其內(nèi)阻相應(yīng)較小。普通電容紋波電流的指標(biāo)都很低,動態(tài)內(nèi)阻較高。用普通電容代替X 電容,除了耐壓條件不能 滿足以外,一般紋波電流指標(biāo)也是難以滿足要求的。

實際上,僅僅依賴于Y 電容和X 電容來完全濾除掉傳導(dǎo)干擾信號是不太可能的。因為干擾信號的頻譜非常寬,基本覆蓋了幾十KHz 到幾百MHz,甚至上千MHz 的頻率范圍。通常,對低端干擾信號的濾除需要很大容量的濾波電容,但受到安全條件的限制,Y 電容和X 電容的容量都不能用大;對高端干擾信號的濾除,大容量電容的濾波性能又極差,特別是聚脂薄膜電容的高頻性能一般都比較差,因為它是用卷繞工藝生產(chǎn)的,并且聚脂薄膜介質(zhì)高頻響應(yīng)特性與陶瓷或云母相比相差很遠(yuǎn),一般聚脂薄膜介質(zhì)都具有吸附效應(yīng),它會降低電容器的工作頻率,聚脂薄膜電容工作頻率范圍大約都在1MHz 左右,超過1MHz 其阻抗將顯著增加。 因此,為抑制電子設(shè)備產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾,除了選用Y 電容和X 電容之外,還要同時選用多個類型的電感濾波器,組合起來一起濾除干擾。電感濾波器多屬于低通濾波器,但電感濾波器也有很多規(guī)格類型,例如有:差模、共模,以及高頻、低頻等。每種電感主要都是針對某一小段頻率的干擾信號濾除而起作用,對其它頻率的干擾信號的濾除效果不大。通常,電感量很大的電感,其線圈匝數(shù)較多,那么電感的分布電容也很大。高頻干擾信號將通過分布電容旁路掉。而且,導(dǎo)磁率很高的磁芯,其工作頻率則較低。目前,大量使用的電感濾波器磁芯的工作頻率大多數(shù)都在75MHz 以下。對于工作頻率要求比較高的場合,必須選用高頻環(huán)形磁芯,高頻環(huán)形磁芯導(dǎo)磁率一般都不高,但漏感特別小,比如,非晶合金磁芯,坡莫合金等。

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