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技術文章—電源設計中濾波電容如何選取

2020-10-12 來源:21IC

通常情況下,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)。

 

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,將電容并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;適用于小電流,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,低于交流電壓有效值;適用于大電流,電流越大濾波效果越好。電容和電感的很多特性是恰恰相反的。

 

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。當我們將低頻濾波電容用于高頻電路時,由于低頻濾波電容高頻特性不好,它在高頻充放電時內阻較大,等效電感較高。因此在使用中會因電解液的頻繁極化而產生較大的熱量。而較高的溫度將使電容內部的電解液氣化,電容內壓力升高,最終導致電容的鼓包和爆裂。

 

電源濾波電容的大小,平時做設計,前級用4.7u,用于濾低頻,二級用0.1u,用于濾高頻,4.7uF的電容作用是減小輸出脈動和低頻干擾,0.1uF的電容應該是減小由于負載電流瞬時變化引起的高頻干擾。一般前面那個越大越好,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。大電容是防止浪涌,機理就好比大水庫防洪能力更強一樣;小電容濾高頻干擾,任何器件都可以等效成一個電阻、電感、電容的串并聯電路,也就有了自諧振,只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=2PIf,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,取決于需要接地的頻率。

 

采用電容濾波設計需要考慮參數:

 

ESR

 

ESL

 

耐壓值

 

諧振頻率

 

那么如何選取電源濾波電容呢?

 

電源濾波電容如何選取,掌握其精髓與方法,其實也不難

 

1、理論上理想的電容其阻抗隨頻率的增加而減少(1/jwc),但由于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,這表示頻率大于SFR值時,電容變成了一個電感,如果電容對地濾波,當頻率超出SFR后,對干擾的抑制就大打折扣,所以需要一個較小的電容并聯對地.原因在于小電容,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,根本的原因在于SFR(自諧振頻率)值不同,想想為什么?如果從這個角度想,也就可以理解為什么電源濾波中電容對地腳為什么要盡可能靠近地了。

 

2、那么在實際的設計中,我們常常會有疑問,我怎么知道電容的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:

 

器件Data sheet,如22pf,0402電容的SFR值在2G左右

 

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值后,用軟件仿真,如RFsim99,選一個或兩個電路在于你所供電電路的工作頻帶是否有足夠的噪聲抑制比。仿真完后,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。但由于引線和PCB布線原因,實際上電容是電感和電容的并聯電路,(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。

 

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