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贴片钽电容在电源滤波电路的使用

2018-12-22  心不留意...

from http://www.eefocus.com/zhangda66/blog/17-03/409271_10b96.html  

电子线路对钽电容选型的基本要求之电源滤波电路
    电源电路是整机线路不可或缺的部分,是系统的“心脏”,负责系统能量的供应,其质量的好坏影响到整机系统的性能,钽电容选型我们需要注意什么呢!。电源电路一般分为两大类:线性电源和开关电源。
1、线性电源
    这类电源结构简单,由变压、整流、滤波三部分组成,纹波系数小、干扰小,缺点是体积庞大、效率低,其结构框图如下( 图1) :


图1


    线性电源对滤波电容的要求(钽电容选型需要注意的):
(1)R1C1≥ (1.5~2.5)T,T为电网电压周期(市电网50Hz,国外网60Hz,航空供电400Hz),即要求滤波电容器有足够的容量;
(2)耐压≥ 1.414U2;
(3)较小的损耗,以抑制纹波。
2、开关电源
    随着电子装备不断地小型化,采用开关电源是必然趋势,开关电源以其优异的性能,渗透到电能节约、功率变换和自动控制的每一个应用领域。其原理框图如下图示( 图2) :


图2


    开关电源一般又可分为AC/DC变换电源和DC/DC变换电源两种类型。前者输入为交流电压,通过整流滤波后,经功率变换输出所需的直流电压,请看原理框图( 图3) :


图3


    DC/DC变换电源又可称为直流斩波器,它将输入的直流电压通过功率开关元件转换成宽度可调的脉动电压,经滤波后获得所需的直流电压,输出电压Uo取决于斩波开关的通断时间及输入电压Ui的大小,它们之间的关系如下:Uo=UiTd/T
原理简图如下(图4) :


图4


    开关电源中经整流后输出的是比线性电源频率(100Hz)高很多的脉动电压,对滤波电容器性能要求更高了。

开关电源频率从十几千赫兹到数兆赫兹,电容器在高频下其各项电性能参数已发生重大变化,容量大幅衰减,损耗升高,流过电容器可能是安培级的纹波电流,没有良好高频特性的电容器是不能担此工作的。下图(图5)为高频整流滤波交流等效图。


图5


    在100KHz条件下,电容器所呈现出的阻抗与ESR相差极小即容抗=0,这时起主要作用的是ESR,ESR越小,u0越小,即纹波越小,滤波效果越好。另一方面,ESR越小,电容器消耗的有功功率也越小,发热量随之减小,电容器温升减小,从而能更稳定的工作。
    由此可见,高频条件下电容器的ESR这一性能指标已成为头等重要的参数。近年来各电容器厂商在围绕超低ESR这一参数展开激烈竞争已就不足为奇。
    若施加钽电容器上的纹波电流Imax过荷,电容器内部温度则会急剧上升,并因此而降低电容器的可靠性。一般,允许最高纹波电流和纹波电压与电容器最高允许功耗、ESR、以及外壳尺寸有关。
Imax=(Pmax/ESR)1/2式中Pmax随环境温度和外壳尺寸而异,ESR随纹波频率变化。
    此外,由于开关电源存在较多的诸如电容器、电感器、开关变压器等储能元件,开关脉冲上升或下降沿容易产生电压尖峰,尤其是在电源开机或关机瞬间,电容器可能承受超过额定值的瞬间电压。
综上所述,开关电源用滤波电容器主要考虑以下参数:
(1)等效串联电阻ESR;
(2)耗散功率;
(3)ESL;
(4)具备一定的瞬间过压和过流能力。
3、电源滤波的常用方法
    在相同规格相同性能的滤波电容器中,会因线路设计的不同,其滤波效果会差异很大。
(1)一般要求较高的滤波线路中,采用电阻、电感与电容混合成T型或 π型滤波,其线路如下( 图6 、7) :


    这些滤波电路,既减小了滤波电容在开机瞬间的大电流冲击,又显著提高了电源的滤波效果(因RC或LC中滤波时,可看成二者分压,因C的ESR很小,远小于R或ZL , 纹波分量很小) 。在高频开关电源中,常用LC滤波。
(2)为了避免高频瞬间干扰,线路中也常采用陶瓷电容与钽电容相并联的方式,因陶瓷电容器高频性能好(可达上百兆赫兹),而钽电容一般只能达到几十KHz到上兆赫兹,二者组合后,高频瞬间干扰可由陶瓷电容滤除,低频滤波由钽电容完成,请看下图(图8) :

图8


(3)针对高频开关电源的滤波,因电容器在高频状态下,可能承受安培级的电流,主要考验其ESR参数,ESR越小,大纹波电流通过时电容器的温升就越小, 其可靠性也就越高。当电源功率较大单支产品无法通过全部纹波电流时,在线路设计中一般可以考虑采用电容器并联滤波的方式,如下图所示(图9) :


图9


    采用这种方法改善纹波吸收效果时,若相并联的滤波电容器为不同类型产品时,一定要注意以下问题:当纹波频率在100kHz以上时,滤波电容器的容抗极小, 可以省略,两种电容器通过的纹波电流由其ESR决定,这就有可能造成小容量电容器通过大纹波电流,而大容量的电容器反而通过小纹波电流,在选用电容器时一 定要弄清相应产品的ESR性能,注意平衡并留有裕量。
以上是电源滤波方面钽电容选型需要注意和考虑的一些问题。 

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