【轉】詳細解析電源濾波電容的選取與計算

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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,將電容並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,接近交流電壓峯值;適用於小電流,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,低於交流電壓有效值;適用於大電流,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。

一般情況下,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,其頻率也分爲了好幾個數量級。因此爲了適合在不同頻率下使用,電解電容也分爲高頻電容和低頻電容(這裏的高頻是相對而言)。

低頻濾波電容主要用於市電濾波或變壓器整流後的濾波,其工作頻率與市電一致爲50Hz;而高頻濾波電容主要工作在開關電源整流後的濾波,其工作頻率爲幾千Hz到幾萬Hz。當我們將低頻濾波電容用於高頻電路時,由於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,用於濾低頻,二級用0.1u,用於濾高頻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於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。大電容是防止浪湧,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、電容的串並聯電路,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!

電容的等效模型爲一電感L,一電阻R和電容C的串聯,
電感L爲電容引線所至電阻R代表電容的有功功率損耗,電容C。
因而可等效爲串聯LC迴路求其諧振頻率,串聯諧振的條件爲WL=1/WC,W=2PIf,從而得到此式子f = 1/(2pi* LC)。,串聯LC迴路中心頻率處電抗最小表現爲純電阻,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爲10nH左右,取決於需要接地的頻率。

採用電容濾波設計需要考慮參數:
ESR
ESL
耐壓值
諧振頻率

#那麼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),但由於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,這表示頻率大於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後,對干擾的抑制就大打折扣,所以需要一個較小的電容並聯對地.原因在於小電容,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,根本的原因在於SFR(自諧振頻率)值不同,想想爲什麼?如果從這個角度想,也就可以理解爲什麼電源濾波中電容對地腳爲什麼要儘可能靠近地了。

2、那麼在實際的設計中,我們常常會有疑問,我怎麼知道電容的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:

  1. 器件Data sheet,如22pf,0402電容的SFR值在2G左右
  2. 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值後,用軟件仿真,如RFsim99,選一個或兩個電路在於你所供電電路的工作頻帶是否有足夠的噪聲抑制比。仿真完後,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。但由於引線和PCB佈線原因,實際上電容是電感和電容的並聯電路,(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。

這也能解釋爲什麼同樣容值的STM封裝的電容濾波頻率比DIP封裝更高.
至於到底用多大的電容,這是一個參考電容諧振頻率

電容值 DIP(MHz) STM(MHz)
10PF 800 1.6(GHz)
100PF 200 500
1000PF 80 160
0.01uF 25 50
0.1uF 8 16
1uF 2.5 5

不過僅僅是參考而已,老工程師說主要靠經驗.
更可靠的做法是將一大一小兩個電容並聯,
一般要求相差兩個數量級以上,以獲得更大的濾波頻段。

以上文章來源戳這裏

看了這篇文章,也做個粗略的總結吧:

  1. 電容對地濾波,需要一個較小的電容並聯對地,對高頻信號提供了一個對地通路。
  2. 電源濾波中電容對地腳要儘可能靠近地。
  3. 理論上說電源濾波用電容越大越好,一般大電容濾低頻波,小電容濾高頻波。
  4. 可靠的做法是將一大一小兩個電容並聯,一般要求相差兩個數量級以上,以獲得更大的濾波頻段。

#濾波電容的選取原則

經過整流橋以後的是脈動直流,波動範圍很大。後面一般用大小兩個電容;
大電容用來穩定輸出,衆所周知電容兩端電壓不能突變,因此可以使輸出平滑;
小電容是用來濾除高頻干擾的,使輸出電壓純淨;
電容越小,諧振頻率越高,可濾除的干擾頻率越高;

##容量選擇

  1. 大電容,負載越重,吸收電流的能力越強,這個大電容的容量就要越大
  2. 小電容,憑經驗,一般104即可

具體案例

  1. AC220-9V再經過全橋整流後,需加的濾波電容是多大的? 再經78LM05後需加的電容又是多大?

前者電容耐壓應大於15V,電容容量應大於2000微發以上。 後者電容耐壓應大於9V,容量應大於220微發以上。

2.有一電容濾波的單相橋式整流電路,輸出電壓爲24V,電流爲500mA,要求:
(1)選擇整流二極管;
(2)選擇濾波電容;
(3)另:電容濾波是降壓還是增壓?

(1)因爲橋式是全波,所以每個二極管電流只要達到負載電流的一半就行了,所以二極管最大電流要大於250mA;電容濾波式橋式整流的輸出電壓等於輸入交流電壓有效值的1.2倍,所以你的電路輸入的交流電壓有效值應是20V,而二極管承受的最大反壓是這個電壓的根號2倍,所以,二極管耐壓應大於28.2V。
(2)選取濾波電容:
1、電壓大於28.2V;
2、求C的大小:公式RC≥(3–5)×0.1秒,本題中R=24V/0.5A=48歐
所以可得出C≥(0.00625–0.0104)F,即C的值應大於6250μF。
(3)電容濾波是升高電壓。

#濾波電容的選用原則

在電源設計中,濾波電容的選取原則是: C≥2.5T/R
其中: C爲濾波電容,單位UF;
T爲時間, 單位爲S
R爲負載電阻,單位爲Ω

當然,這只是一般的選用原則,在實際的應用中,如條件(空間和成本)允許,都選取C≥5T/R。

##濾波電容的大小的選取
###PCB製版電容選擇

印製板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時。操作它們時均會產生較大火花放電,必須採用RC吸收電路來吸收放電電流。一般R取12kΩ,C取2.24.7μF。
一般的10PF左右的電容用來濾除高頻的干擾信號,0.1UF左右的用來濾除低頻的紋波干擾,還可以起到穩壓的作用。

濾波電容具體選擇什麼容值要取決於你PCB上主要的工作頻率可能對系統造成影響的諧波頻率,可以查一下相關廠商的電容資料或者參考廠商提供的資料庫軟件,根據具體的需要選擇。至於個數就不一定了,看你的具體需要了,多加一兩個也挺好的,暫時沒用的可以先不貼,根據實際的調試情況再選擇容值。如果你PCB上主要工作頻率比較低的話,加兩個電容就可以了,一個慮除紋波,一個慮除高頻信號。如果會出現比較大的瞬時電流,建議再加一個比較大的鉭電容。

其實濾波應該也包含兩個方面,也就是各位所說的大容值和小容值的,就是去耦和旁路。原理我就不說了,實用點的,一般數字電路去耦0.1uF即可,用於10M以下;20M以上用1到10個uF,去除高頻噪聲好些。如果按照C=1/f 。旁路一般就比較的小了,一般常用的爲0.1或0.01uF。

說到電容,各種各樣的叫法就會讓人頭暈目眩,旁路電容,去耦電容,濾波電容等等,其實無論如何稱呼,它的原理都是一樣的,即利用對交流信號呈現低阻抗的特性,這一點可以通過電容的等效阻抗公式看出來:Xcap=1/2лfC,工作頻率越高,電容值越大則電容的阻抗越小。

在電路中,如果電容起的主要作用是給交流信號提供低阻抗的通路,就稱爲旁路電容;如果主要是爲了增加電源和地的交流耦合,減少交流信號對電源的影響,就可以稱爲去耦電容;如果用於濾波電路中,那麼又可以稱爲濾波電容;除此以外,對於直流電壓,電容器還可作爲電路儲能,利用衝放電起到電池的作用。而實際情況中,往往電容的作用是多方面的,我們大可不必花太多的心思考慮如何定義。本文裏,我們統一把這些應用於高速PCB設計中的電容都稱爲旁路電容。

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