在電源電路和信號電路中電容有何用處?
發(fā)布時(shí)間:2016-11-11 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】電容作為重要的無源元件,應(yīng)用十分廣泛。本文將介紹電容應(yīng)用于電源電路,實(shí)現(xiàn)旁路、去藕、濾波和儲(chǔ)能方面電容的作用,以及電容應(yīng)用于信號電路,完成耦合、振蕩/同步及時(shí)間常數(shù)的作用詳解。
作為無源元件之一的電容,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)能方面電容的作用,下面分類詳述之:
1)濾波
濾波是電容的作用中很重要的一部分。幾乎所有的電源電路中都會(huì)用到。從理論上(即假設(shè)電容為純電容)說,電容越大,阻抗越小,通過的頻率也越高。但實(shí)際上超過1uF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。電容越大低頻越容易通過,電容越大高頻越容易通過。具體用在濾波中,大電容(1000uF)濾低頻,小電容(20pF)濾高頻。
曾有網(wǎng)友將濾波電容 比作“水塘”。由于電容的兩端電壓不會(huì)突變,由此可知,信號頻率越高則衰減越大,可很形象的說電容像個(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,放電的過程。
2)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一樣,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大而導(dǎo)致的地電位抬高和噪聲。地彈是地連接處在通過大 電流毛刺時(shí)的電壓降。
3)去藕
去藕,又稱解藕。從電路來說,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 于正常情況來說實(shí)際上就是一種噪聲,會(huì)影響前級的正常工作。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。將旁路電容和去藕電容結(jié)合起來將更容易理解。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10uF或者更大,依據(jù)電路中分布參數(shù),以及驅(qū)動(dòng) 電流的變化大小來確定。旁路是把輸入信號中的干擾作為濾除對象,而去耦是把輸出信號的干擾作為濾除對象,防止干擾信號返回電源。這應(yīng)該是他們的本質(zhì)區(qū)別。
4)儲(chǔ)能
儲(chǔ)能型電容器通過整流器收集電荷,并將存儲(chǔ)的能量通過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 000uF之間的鋁電解電容器是較為常用的。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, 對于功率級超過10KW的電源,通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容器。
2、電容應(yīng)用于信號電路,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)又使信號產(chǎn)生壓降反饋到輸入端形成了輸入輸出信號耦合,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)容量的電容器對交流信號較小的阻抗,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)
這就是常見的 R、C 串聯(lián)構(gòu)成的積分電路。當(dāng)輸入信號電壓加在輸入端時(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。電流通過電阻(R)、電容(C)的特性通過下面的公式描述:
i = (V/R)e-(t/CR)
我們知道了電容的作用以后下面來談?wù)勲娙菰谑褂弥械淖⒁馐马?xiàng)
A. 什么是好電容。
1.電容容量越大越好。
很多人在電容的替換中往往愛用大容量的電容。我們知道雖然電容越大,為IC提供的電流補(bǔ)償?shù)哪芰υ綇?qiáng)。且不說電容容量的增大帶來的體積變大,增加成本的同時(shí)還影響空氣流動(dòng)和散熱。關(guān)鍵在于電容上存在寄生電感,電容放電回路會(huì)在某個(gè)頻點(diǎn)上發(fā)生諧振。在諧振點(diǎn),電容的阻抗小。因此放電回路的阻抗最小,補(bǔ)充能量的效果也最好。但當(dāng)頻率超過諧振點(diǎn)時(shí),放電回路的阻抗開始增加,電容提供電流能力便開始下降。電容的容值越大,諧振頻率越低,電容能有效補(bǔ)償電流的頻率范圍也越小。從保證電容提供高頻電流的能力的角度來說,電容越大越好的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的,一般的電路設(shè)計(jì)中都有一個(gè)參考值的。
2.同樣容量的電容,并聯(lián)越多的小電容越好
耐壓值、耐溫值、容值、ESR(等效電阻)等是電容的幾個(gè)重要參數(shù),對于ESR自然是越低越好。ESR與電容的容量、頻率、電壓、溫度等都有關(guān)系。當(dāng)電壓固定時(shí)候,容量越大,ESR越低。在板卡設(shè)計(jì)中采用多個(gè)小電容并連多是出與PCB空間的限制,這樣有的人就認(rèn)為,越多的并聯(lián)小電阻,ESR越低,效果越好。理論上是如此,但是要考慮到電容接腳焊點(diǎn)的阻抗,采用多個(gè)小電容并聯(lián),效果并不一定突出。
3.ESR越低,效果越好。
結(jié)合我們上面的提高的供電電路來說,對于輸入電容來說,輸入電容的容量要大一點(diǎn)。相對容量的要求,對ESR的要求可以適當(dāng)?shù)慕档汀R驗(yàn)檩斎腚娙葜饕悄蛪?,其次是吸收MOSFET的開關(guān)脈沖。對于輸出電容來說,耐壓的要求和容量可以適當(dāng)?shù)慕档鸵稽c(diǎn)。ESR的要求則高一點(diǎn),因?yàn)檫@里要保證的是足夠的電流通過量。但這里要注意的是ESR并不是越低越好,低ESR電容會(huì)引起開關(guān)電路振蕩。而消振電路復(fù)雜同時(shí)會(huì)導(dǎo)致成本的增加。板卡設(shè)計(jì)中,這里一般有一個(gè)參考值,此作為元件選用參數(shù),避免消振電路而導(dǎo)致成本的增加。
4.好電容代表著高品質(zhì)。
“唯電容論”曾經(jīng)盛極一時(shí),一些廠商和媒體也刻意的把這個(gè)事情做成一個(gè)賣點(diǎn)。在板卡設(shè)計(jì)中,電路設(shè)計(jì)水平是關(guān)鍵。和有的廠商可以用兩相供電做出比一些廠商采用四相供電更穩(wěn)定的產(chǎn)品一樣,一味的采用高價(jià)電容,不一定能做出好產(chǎn)品。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意的夸大。
B. 電容爆漿之面面談
爆漿的種類:分兩類,輸入電容爆漿和輸出電容爆漿。
對于輸入電容來說,就是我是說的C1,C1對由電源接收到的電流進(jìn)行過濾。輸入電容爆漿和電源輸入電流的品質(zhì)有關(guān)。過多的毛刺電壓,峰值電壓過高,電流不穩(wěn)定等都使電容過于充放電過于頻繁,長時(shí)間處于這類工作環(huán)境下的電容,內(nèi)部溫度升高很快。超過泄爆口的承受極限就會(huì)發(fā)生爆漿。
對于輸出電容來說,就我說的C2,對經(jīng)電源模塊調(diào)整后的電流進(jìn)行濾波。此處電流經(jīng)過一次過濾,比較平穩(wěn),發(fā)生爆漿的可能性相對來說小了不少。但如果環(huán)境溫度過高,電容同樣容易發(fā)生爆漿。爆,報(bào)也。采用垃圾東西自然要爆,報(bào)應(yīng)啊。欲知過去因者,見其現(xiàn)在果;欲知未來果者,見其現(xiàn)在因。
電解電容爆漿的原因:
電容爆漿的原因有很多,比如電流大于允許的穩(wěn)波電流、使用電壓超出工作電壓、逆向電壓、頻繁的充放電等。但是最直接的原因就是高溫。我們知道電容有一個(gè)重要的參數(shù)就是耐溫值,指的就是電容內(nèi)部電解液的沸點(diǎn)。當(dāng)電容的內(nèi)部溫度達(dá)到電解液的沸點(diǎn)時(shí),電解液開始沸騰,電容內(nèi)部的壓力升高,當(dāng)壓力超過泄爆口的承受極限就發(fā)生了爆漿。所以說溫度是導(dǎo)致電容爆漿的直接原因。電容設(shè)計(jì)使用壽命大約為2萬小時(shí),受環(huán)境溫度的影響也很大。電容的使用壽命隨溫度的增加而減小,實(shí)驗(yàn)證明環(huán)境溫度每升高10℃,電容的壽命就會(huì)減半。主要原因就是溫度加速化學(xué)反應(yīng)而使介質(zhì)隨時(shí)間退化失效,這樣電容壽命終結(jié)。為了保證電容的穩(wěn)定性,電容在插板前要經(jīng)過長時(shí)間的高溫環(huán)境的測試。即使是在100℃,高品質(zhì)的電容也可以工作幾千個(gè)小時(shí)。同時(shí),我們提到的電容的壽命是指電容在使用過程中,電容容量不會(huì)超過標(biāo)準(zhǔn)范圍變化的10%。電容壽命指的是電容容量的問題,而不是設(shè)計(jì)壽命到達(dá)之后就發(fā)生爆漿。只是無法保證電容的設(shè)計(jì)的容量標(biāo)準(zhǔn)。
所以,短時(shí)期內(nèi),正常使用的板卡電容就發(fā)生爆漿的情況,這就是電容品質(zhì)問題。另外,不正常的使用情況也有可能發(fā)生電容爆漿的情況。比如熱插拔電腦配件也會(huì)導(dǎo)致板卡局部電路電流、電壓的劇烈變化,從而引發(fā)電容使用故障。
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