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2017-06-20 by:CAE仿真在線 來(lái)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(lái)說(shuō),總是存在驅(qū)動(dòng)的源和被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。如果負(fù)載電容比較大,驅(qū)動(dòng)電路要把電容充電、放電,才能完成信號(hào)的跳變,在上升沿比較陡峭的時(shí)候,電流比較大,這樣驅(qū)動(dòng)的電流就會(huì)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(huì)產(chǎn)生反彈),這種電流相對(duì)于正常情況來(lái)說(shuō)實(shí)際上就是一種噪聲,會(huì)影響前級(jí)的正常工作。這就是耦合。
去藕電容就是起到一個(gè)電池的作用,滿足驅(qū)動(dòng)電路電流的變化,避免相互間的耦合干擾。
旁路電容實(shí)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(kāi)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(dòng)電流的變化大小來(lái)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(shí)間的大小來(lái)計(jì)算。去耦電容一般都很大,對(duì)更高頻率的噪聲,基本無(wú)效。旁路電容就是針對(duì)高頻來(lái)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(gè)RLC串聯(lián)模型。在某個(gè)頻率,會(huì)發(fā)生諧振,此時(shí)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(huì)發(fā)現(xiàn)一般都是一個(gè)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(gè)比較保險(xiǎn)的方法就是多并幾個(gè)電容。
去耦電容在集成電路電源和地之間的有兩個(gè)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(gè)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(shuō),對(duì)于10MHz以下的噪聲有較好的去耦效果,對(duì)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(gè)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(lái)的,這種卷起來(lái)的結(jié)構(gòu)在高頻時(shí)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(yàn)法則:“在電路板的電源接入端放置一個(gè)1~10μF的電容,濾除低頻噪聲;在電路板上每個(gè)器件的電源與地線之間放置一個(gè)0.01~0.1μF的電容,濾除高頻噪聲。”在書店里能夠得到的大多數(shù)的高速PCB設(shè)計(jì)、高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)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(gè)常用的簡(jiǎn)單概念。
什么是旁路?旁路(Bypass),是指給信號(hào)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(wú)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(gè)地球人都知道),可以看出旁路電容主要針對(duì)高頻干擾(高是相對(duì)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(jí)電路中,為保證前后級(jí)間傳遞信號(hào)而不互相影響各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)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(kāi)關(guān)動(dòng)作或輸出發(fā)生變化時(shí),需 要瞬時(shí)從電源在線抽取較大電流,該瞬時(shí)的大電流可能導(dǎo)致電源在線電壓的降低,從而引起對(duì)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(gè) 儲(chǔ)電的“小水池”以提供這種瞬時(shí)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(duì)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(duì)電源的干擾(家丑不外揚(yáng))。有人說(shuō)退耦是針對(duì)低頻、旁路是針對(duì)高頻,我認(rèn)為這樣說(shuō)是不準(zhǔn)確的,高速芯片內(nèi)部開(kāi)關(guān)操作可能高達(dá)上GHz,由此引起對(duì)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(lái)源。
簡(jiǎn)單說(shuō)明了旁路和退耦之后,我們來(lái)看看芯片工作時(shí)是怎樣在電源線上產(chǎn)生干擾的。我們建立一個(gè)簡(jiǎn)單的IO Buffer模型,輸出采用圖騰柱IO驅(qū)動(dòng)電路,由兩個(gè)互補(bǔ)MOS管組成的輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)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(gè)互補(bǔ)的MOS管(接地的NMOS和接電源的PMOS)簡(jiǎn)單作為開(kāi)關(guān)使用。假設(shè)初始時(shí)刻傳輸在線各點(diǎn)的電壓和電流均為零,在某一時(shí)刻器件將驅(qū)動(dòng)傳輸線為高電平,這時(shí)候器件就需要從電源管腳吸收電流。在時(shí)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(gè)完整的返回(Round-Trip)時(shí)間,在時(shí)間T2結(jié)束。之后整個(gè)傳輸線處于電荷充滿狀態(tài),不需要額外流入電流來(lái)維持。當(dāng)電流瞬間涌過(guò)封裝電感Lv時(shí),將在芯片內(nèi)部的電源提供點(diǎn)產(chǎn)生電壓被拉低的擾動(dòng)。該擾動(dòng)在電源中被稱之為同步開(kāi)關(guān)噪聲(SSN,Simultaneous Switching Noise;SSO,Simultaneous Switching Output Noise)或Delta I噪聲。
在時(shí)間T3,關(guān)閉PMOS管,這一動(dòng)作不會(huì)導(dǎo)致脈沖噪聲的產(chǎn)生,因?yàn)樵诖酥癙MOS管一直處于打開(kāi)狀態(tài)且沒(méi)有電流流過(guò)的。同時(shí)打開(kāi)NMOS管,這時(shí)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(guò)開(kāi)關(guān)B,這樣在芯片內(nèi)部的地結(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生參考電平點(diǎn)被抬高的擾動(dòng)。該擾動(dòng)在電源系統(tǒng)中被稱之為地彈噪聲(Ground Bounce,我個(gè)人讀著地tan)。
實(shí)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(jí)分析的SSN和地彈噪聲在進(jìn)行Board Level分析時(shí),以同樣的方式存在,而不僅僅局限于芯片內(nèi)部。就整個(gè)電源分布系統(tǒng)來(lái)說(shuō)(Power Distribute System)來(lái)說(shuō),這就是所謂的電源電壓塌陷噪聲。因?yàn)樾酒敵龅拈_(kāi)關(guān)操作以及芯片內(nèi)部的操作,需要瞬時(shí)的從電源抽取較大的電流,而電源特性來(lái)說(shuō)不能快速響應(yīng)該電流變化,高速開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)頻率也僅有MHz量級(jí)。為了保證芯片附近電源在線的電壓不至于因?yàn)镾SN和地彈噪聲降低超過(guò)器件手冊(cè)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(gè)儲(chǔ)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(gè):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(shí)際在分析電容模型的時(shí)候一般只用RLC簡(jiǎn)化模型,即分析電容的C、ESR、ESL。因?yàn)榧纳鷧?shù)的影響,尤其是ESL的影響,實(shí)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(shí)隨頻率的升高,電容阻抗降低;當(dāng)?shù)阶畹忘c(diǎn)時(shí),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(duì)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(diǎn)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(shí)大電流流過(guò)電源系統(tǒng)時(shí),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(shí),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(shí)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(jí)以上),漏電越小,性能也就越可靠。因?yàn)镻p通常很大(GΩ級(jí)以上),所以在實(shí)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(kāi)路狀態(tài)的電容器恢復(fù)一部分電荷。
ESR和ESL對(duì)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(jiǎn)化模型,可以計(jì)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(shí)表現(xiàn)為感性,此時(shí)的電容器的去耦作用逐漸減弱。同時(shí)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(huì)影響電容器的諧振頻率,如圖3所示。由于電容在諧振點(diǎn)的阻抗最低,所以設(shè)計(jì)時(shí)盡量選用fR和實(shí)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(shí)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(shuō)電容之一:電容的作用
作為無(wú)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(shí)現(xiàn)旁路、去藕、濾波和儲(chǔ)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(chǔ)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(guò)大而導(dǎo)致的地電位抬高和噪聲。地彈是地連接處在通過(guò)大電流毛刺時(shí)的電壓降。
2)去藕
去藕,又稱解藕。 從電路來(lái)說(shuō), 總是可以區(qū)分為驅(qū)動(dòng)的源和被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。如果負(fù)載電容比較大, 驅(qū)動(dòng)電路要把電容充電、放電, 才能完成信號(hào)的跳變,在上升沿比較陡峭的時(shí)候, 電流比較大, 這樣驅(qū)動(dòng)的電流就會(huì)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(huì)產(chǎn)生反彈),這種電流相對(duì)于正常情況來(lái)說(shuō)實(shí)際上就是一種噪聲,會(huì)影響前級(jí)的正常工作,這就是所謂的“耦合”。
去藕電容就是起到一個(gè)“電池”的作用,滿足驅(qū)動(dòng)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(lái)將更容易理解。旁路電容實(shí)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(kāi)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(dòng)電流的變化大小來(lái)確定。
旁路是把輸入信號(hào)中的干擾作為濾除對(duì)象,而去耦是把輸出信號(hào)的干擾作為濾除對(duì)象,防止干擾信號(hào)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(shuō),電容越大,阻抗越小,通過(guò)的頻率也越高。但實(shí)際上超過(guò)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(huì)增大。有時(shí)會(huì)看到有一個(gè)電容量較大電解電容并聯(lián)了一個(gè)小電容,這時(shí)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(guò),電容越大高頻越容易通過(guò)。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(huì)突變,由此可知,信號(hào)頻率越高則衰減越大,可很形象的說(shuō)電容像個(gè)水塘,不會(huì)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(dòng)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(guò)程。
4)儲(chǔ)能
儲(chǔ)能型電容器通過(guò)整流器收集電荷,并將存儲(chǔ)的能量通過(guò)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(shí)會(huì)采用串聯(lián)、并聯(lián)或其組合的形式, 對(duì)于功率級(jí)超過(guò)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(hào)電路,主要完成耦合、振蕩/同步及時(shí)間常數(shù)的作用:
1)耦合
舉個(gè)例子來(lái)講,晶體管放大器發(fā)射極有一個(gè)自給偏壓電阻,它同時(shí)又使信號(hào)產(chǎn)生壓降反饋到輸入端形成了輸入輸出信號(hào)耦合, 這個(gè)電阻就是產(chǎn)生了耦合的元件,如果在這個(gè)電阻兩端并聯(lián)一個(gè)電容, 由于適當(dāng)容量的電容器對(duì)交流信號(hào) 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(shí)間常數(shù)
這就是常見(jiàn)的 R、C 串聯(lián)構(gòu)成的積分電路。當(dāng)輸入信號(hào)電壓加在輸入端時(shí),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(guò)電阻(R)、電容(C)的特性通過(guò)下面的公式描述:
i = (V / R)e - (t / CR)
話說(shuō)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(diǎn)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(jí);
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(shí),電容作為器件的外圍元件,幾乎每個(gè)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(shuō),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(shí)選用電容時(shí)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(shí)間的改變而改變,適用于對(duì)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(shí)間改變時(shí)性能的變化并不顯著(?C 《 ±10%)。適用于隔直、偶合、旁路與對(duì)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(duì)溫度、電壓等測(cè)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(chǎng)合。
話說(shuō)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(dòng)電流、長(zhǎng)壽命、大容量的不二之選,廣泛應(yīng)用于電源濾波、解藕等場(chǎng)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(dòng)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(dú)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(jì)理念。
5、超級(jí)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(diǎn)是:超高容值、良好的充/放電特性,適合于電能存儲(chǔ) 和電源備份。缺點(diǎn)是耐壓較低,工作溫度范圍較窄。
話說(shuō)電容之四:多層陶瓷電容(MLCC)
對(duì)于電容而言,小型化和高容量是永恒不變的發(fā)展趨勢(shì)。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(lái)數(shù)字產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步對(duì)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(duì)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(jì)。
也就是說(shuō),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(duì)電壓的依賴,優(yōu)化直流偏置電壓特性。
應(yīng)用中較為常見(jiàn)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(hào)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(wú)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(shí)器電路等。
話說(shuō)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?yàn)殂g電容的介質(zhì)為陽(yáng)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(yáng)極判斷電容性能的方法已經(jīng)過(guò)時(shí)了,目前決定電解電容性能的關(guān) 鍵并不在于陽(yáng)極,而在于電解質(zhì),也就是陰極。因?yàn)椴煌年帢O和不同的陽(yáng)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(yáng)極的電容由于 電解質(zhì)的不同,性能可以差距很大,總之陽(yáng)極對(duì)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(shí)也能提升不少。
可以肯定,ESR 是衡量一個(gè)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(gè)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(wú)意的夸大。
---以上引用了部分網(wǎng)友的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。
普通電解電容的結(jié)構(gòu)是陽(yáng)極和陰極和電解質(zhì),陽(yáng)極是鈍化鋁,陰極是純鋁, 所以關(guān)鍵是在陽(yáng)極和電解質(zhì)。陽(yáng)極的好壞關(guān)系著耐壓電介系數(shù)等問(wèn)題。
一般來(lái)說(shuō),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(gè)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(shuō)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(diǎn):
1、電容值
電解電容器的容值,取決于在交流電壓下工作時(shí)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(cè)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(cè)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(jì)算獲得的值。顯然,Tan δ 隨著測(cè)量頻率 的增加而變大,隨測(cè)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(guò)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(shí)電抗(XL)降至 ESR 的值。當(dāng)頻率達(dá)到高頻范圍時(shí)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(duì)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(shí),重新形成的以及修復(fù)氧化膜的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一種很小 的稱之為漏電流的電流。通常,漏電流會(huì)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(shí)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(jiàn),當(dāng)紋波電流增大的時(shí)候,即使在 ESR 保持不變的情況下,漣波電壓也會(huì)成倍提高。換言之,當(dāng)紋波電壓增大時(shí),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(shí)紋波電流也比較低。
話說(shuō)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(chǔ)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(shí)的容值
n 個(gè)電容串聯(lián):1/CT = 1/C1 + 1/C2 + ,,。 + 1/Cn
兩個(gè)電容串聯(lián):CT = C1 · C2 / (C1 + C2)
18、并聯(lián)時(shí)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(hào)說(shuō)明如下:
K = 介電常數(shù)
A = 面積
TD = 絕緣層厚度
V = 電壓
t = 時(shí)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(yàn)壽命
Vt = 測(cè)試電壓
V0 = 工作電壓
Tt = 測(cè)試溫度
T0 = 工作溫度
X , Y = 電壓與溫度的效應(yīng)指數(shù)。
話說(shuō)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(gè)電容來(lái)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(gè)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(duì)地漏電電流不能超0.7mA;工作在溫帶機(jī)器,要求對(duì)地漏電電流不能超過(guò)0.35mA。因此,Y 電容的總?cè)萘恳话愣疾荒艹^(guò)4700pF。
特別提示:Y 電容為安全電容,必須取得安全檢測(cè)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(lái)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(gè)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(gè)安全電阻,用于防止電源線拔插時(shí),由于該電容的充放電過(guò)程而致電源線插頭長(zhǎng)時(shí)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(shí),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(lái)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(cè)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(shí)候不要隨意使用標(biāo)稱耐壓AC250V,或DC400V 之類的普通電容來(lái)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(dòng)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(shí)際上,僅僅依賴于Y 電容和X 電容來(lái)完全濾除掉傳導(dǎo)干擾信號(hào)是不太可能的。因?yàn)楦蓴_信號(hào)的頻譜非常寬,基本覆蓋了幾十KHz 到幾百M(fèi)Hz,甚至上千MHz 的頻率范圍。通常,對(duì)低端干擾信號(hào)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(duì)高端干擾信號(hào)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?yàn)樗怯镁砝@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(huì)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(guò)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(shí)選用多個(gè)類型的電感濾波器,組合起來(lái)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(duì)某一小段頻率的干擾信號(hào)濾除而起作用,對(duì)其它頻率的干擾信號(hào)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(hào)將通過(guò)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(duì)于工作頻率要求比較高的場(chǎng)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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