Як правильно вибрати конденсатор фільтра в процесі побудови імпульсного джерела живлення?
Конденсатор фільтра відіграє дуже важливу роль в імпульсному джерелі живлення. Як правильно підібрати конденсатор фільтра, а особливо вибір конденсатора вихідного фільтра - проблема, яка хвилює кожного інженера і техніка. Ми можемо бачити різні конденсатори в ланцюзі фільтра живлення, 100 мкФ, 10 мкФ, 100 нФ, 10 нФ з різними значеннями ємності, тож як визначаються ці параметри? Не кажіть мені, що я скопіював чужу принципову схему, га-га.
Для звичайних електролітичних конденсаторів, що використовуються в ланцюгах з частотою живлення 50 Гц, частота пульсуючої напруги становить лише 100 Гц, а час зарядки та розрядки становить мілісекунди. Щоб отримати менший коефіцієнт пульсації, необхідна ємність досягає сотень тисяч мкФ. Тому метою звичайних низькочастотних алюмінієвих електролітичних конденсаторів є збільшення ємності. Основні параметри плюси і мінуси. Однак електролітичний конденсатор вихідного фільтра в імпульсному джерелі живлення має частоту пилкоподібної хвилі напруги, що досягає десятків кГц або навіть десятків МГц. У цей час ємність не є основним показником. Стандартом для вимірювання якості високочастотних алюмінієвих електролітичних конденсаторів є "імпеданс-"частотні" характеристики, він повинен мати нижчий еквівалентний опір в межах робочої частоти джерела живлення, і в той же час мати хорошу фільтрацію вплив на високочастотні сплески, що виникають під час роботи напівпровідникового пристрою.
Звичайні низькочастотні електролітичні конденсатори починають демонструвати індуктивність приблизно на 10 кГц, що не може відповідати вимогам імпульсних джерел живлення. Високочастотний алюмінієвий електролітичний конденсатор, призначений для імпульсного джерела живлення, має чотири висновки. Два кінці позитивного алюмінієвого листа відповідно витягуються як позитивний електрод конденсатора, а два кінці негативного алюмінієвого листа також відповідно витягуються як негативний електрод. Струм надходить від одного позитивного висновку конденсатора з чотирма полюсами, проходить через внутрішню частину конденсатора, а потім тече від іншого позитивного висновку до навантаження; струм, що повертається від навантаження, також протікає через одну негативну клему конденсатора, а потім тече від іншої негативної клеми до негативної клеми джерела живлення.
Оскільки конденсатор із чотирма полюсами має хороші високочастотні характеристики, він забезпечує надзвичайно сприятливий засіб для зменшення пульсуючої складової напруги та придушення шуму перемикання. Високочастотні алюмінієві електролітичні конденсатори також мають багатожильну форму, тобто алюмінієва фольга розділена на кілька коротших секцій, а кілька проводів з’єднані паралельно, щоб зменшити складову опору в ємнісному реактивному опорі. А використання матеріалів з низьким питомим опором як вихідних клем покращує здатність конденсатора витримувати великі струми.
Щоб цифрові схеми працювали стабільно і надійно, джерело живлення повинно бути «чистим», а поповнення енергії повинно бути своєчасним, тобто фільтрація і розв'язка повинні бути хорошими. Що таке фільтрація та розв’язка, простіше кажучи, це накопичення енергії, коли мікросхемі не потрібен струм, і я можу поповнити енергію вчасно, коли вам потрібен струм. Не кажіть мені, що ця відповідальність не лежить на DCDC і LDO? Так, на низьких частотах вони справляються, але високошвидкісні цифрові системи відрізняються.
Давайте спочатку подивимося на конденсатор. Функція конденсатора полягає просто в накопиченні заряду. Ми всі знаємо, що конденсаторну фільтрацію слід додати до джерела живлення, а конденсатор {{0}}.1 мкФ слід розмістити на контакті живлення кожної мікросхеми для розв’язки тощо. Чому я бачу, що конденсатор поруч із контактом живлення деяких мікросхем плат є 0.1uF або 0.01uF Так, який сенс? Щоб зрозуміти цю істину, ми повинні зрозуміти фактичні характеристики конденсаторів. Ідеальний конденсатор - це просто накопичувач заряду, а саме C. Однак фактично виготовлений конденсатор не такий простий. При аналізі цілісності джерела живлення модель конденсатора, що зазвичай використовується, показана на малюнку нижче.
На малюнку ESR — послідовний еквівалентний опір конденсатора, ESL — послідовна еквівалентна індуктивність конденсатора, а C — справжній ідеальний конденсатор. ESR і ESL визначаються виробничим процесом і матеріалами конденсатора і не можуть бути усунені. Як ці дві речі впливають на схему. ESR впливає на пульсації джерела живлення, а ESL - на частотні характеристики фільтра конденсатора.
Ми знаємо, що ємнісний опір Zc=1/ωC конденсатора, індуктивний опір Zl=ωL котушки індуктивності (ω=2πf) і комплексний опір фактичного конденсатора дорівнює Z=ESR плюс jωL-1/jωC=ESR плюс j2πf L-1/j2πf c. Можна побачити, що коли частота дуже низька, ємність відіграє роль, а коли частота висока до певного рівня, роль індуктивності не можна ігнорувати, а коли частота вища, індуктивність відіграватиме Головна роль. Конденсатор втрачає фільтруючу дію. Тому пам’ятайте, що коли частота висока, конденсатор — це не просто конденсатор.
Як згадувалося вище, еквівалентна послідовна індуктивність конденсатора визначається процесом виробництва та матеріалом конденсатора. ESL фактичного чіп-керамічного конденсатора коливається від кількох десятих nH до кількох nH, і чим менший корпус, тим менший ESL.
З кривої фільтра конденсатора вище ми також бачимо, що він не плоский, він схожий на «V», тобто має частотно-селективні характеристики, і ми сподіваємося, що він настільки плоский, наскільки це можливо ( фільтрування на рівні панелі попереднього етапу), а іноді ви хочете, щоб це було якомога чіткіше (фільтрування або виїмка). На цю характеристику впливає добротність Q конденсатора, Q=1/ωCESR, чим більше ESR, тим менше Q і тим крива плоскіша. Навпаки, чим менше ШОЕ, тим більше Q і тим гостріше крива. Зазвичай танталові конденсатори та алюмінієві електролітики мають відносно невеликий ESL, але ESR великий, тому танталові конденсатори та алюмінієві електролітики мають широкий ефективний діапазон частот, який дуже підходить для фільтра рівня передньої плати. Тобто танталовий конденсатор великої ємності часто використовується для фільтрації на вхідному каскаді DCDC або LDO. І помістіть кілька конденсаторів 10мкФ і 0,1 мкФ біля мікросхеми для розв’язки, керамічні конденсатори мають дуже низький ESR.
