Wie sollte beim Aufbau eines Schaltnetzteils der Filterkondensator richtig ausgewählt werden?
Der Filterkondensator spielt im Schaltnetzteil eine sehr wichtige Rolle. Die richtige Auswahl des Filterkondensators, insbesondere die Auswahl des Ausgangsfilterkondensators, ist ein Problem, das jedem Ingenieur und Techniker große Sorgen bereitet. Wir können verschiedene Kondensatoren im Stromfilterkreis sehen, 100 uF, 10 uF, 100 nF, 10 nF mit unterschiedlichen Kapazitätswerten. Wie werden diese Parameter bestimmt? Sag mir nicht, dass ich den Schaltplan von jemand anderem kopiert habe, huh, huh.
Bei üblichen Elektrolytkondensatoren, die in Stromkreisen mit einer Netzfrequenz von 50 Hz verwendet werden, beträgt die pulsierende Spannungsfrequenz nur 100 Hz und die Lade- und Entladezeit liegt in der Größenordnung von Millisekunden. Um einen kleineren Pulsationskoeffizienten zu erhalten, beträgt die erforderliche Kapazität Hunderttausende μF. Daher besteht das Ziel gewöhnlicher Niederfrequenz-Aluminium-Elektrolytkondensatoren darin, die Kapazität zu erhöhen. Die wichtigsten Parameter der Vor- und Nachteile. Der Ausgangsfilter-Elektrolytkondensator im Schaltnetzteil weist jedoch eine Sägezahnwellen-Spannungsfrequenz von mehreren zehn kHz oder sogar mehreren zehn MHz auf. Derzeit ist die Kapazität nicht der Hauptindikator. Der Standard zur Messung der Qualität von Hochfrequenz-Aluminium-Elektrolytkondensatoren sind „Impedanz-“Frequenz“-Eigenschaften. Es ist eine niedrigere äquivalente Impedanz innerhalb der Betriebsfrequenz des Schaltnetzteils und gleichzeitig eine gute Filterung erforderlich Auswirkungen auf die Hochfrequenzspitzen, die beim Betrieb des Halbleiterbauelements entstehen.
Gewöhnliche Niederfrequenz-Elektrolytkondensatoren zeigen ab etwa 10 kHz eine Induktivität, die den Anforderungen von Schaltnetzteilen nicht gerecht wird. Der Hochfrequenz-Aluminium-Elektrolytkondensator für das Schaltnetzteil verfügt über vier Anschlüsse. Die beiden Enden des positiven Aluminiumblechs werden jeweils als positive Elektrode des Kondensators herausgezogen, und die beiden Enden des negativen Aluminiumblechs werden jeweils als negative Elektrode herausgezogen. Der Strom fließt von einem positiven Anschluss des Kondensators mit vier Anschlüssen ein, durchläuft das Innere des Kondensators und fließt dann vom anderen positiven Anschluss zur Last. Der von der Last zurückkehrende Strom fließt ebenfalls von einem Minuspol des Kondensators ein und fließt dann vom anderen Minuspol zum Minuspol der Stromversorgung.
Da der Kondensator mit vier Anschlüssen über gute Hochfrequenzeigenschaften verfügt, bietet er eine äußerst günstige Möglichkeit, die pulsierende Komponente der Spannung zu reduzieren und das Schaltspitzenrauschen zu unterdrücken. Hochfrequenz-Aluminium-Elektrolytkondensatoren haben auch eine mehradrige Form, das heißt, die Aluminiumfolie ist in mehrere kürzere Abschnitte unterteilt und mehrere Leitungen sind parallel geschaltet, um den Impedanzanteil in der kapazitiven Reaktanz zu reduzieren. Und die Verwendung von Materialien mit niedrigem Widerstand als Anschlussklemmen verbessert die Fähigkeit des Kondensators, großen Strömen standzuhalten.
Damit digitale Schaltkreise stabil und zuverlässig funktionieren, muss die Stromversorgung „sauber“ sein und die Energieauffüllung rechtzeitig erfolgen, d. h. die Filterung und Entkopplung muss gut sein. Was Filtern und Entkoppeln bedeutet, ist einfach gesagt, Energie zu speichern, wenn der Chip keinen Strom benötigt, und ich kann Energie rechtzeitig wieder auffüllen, wenn Strom benötigt wird. Sagen Sie mir nicht, dass diese Verantwortung nicht bei DCDC und LDO liegt? Ja, bei niedrigen Frequenzen können sie damit umgehen, aber digitale Hochgeschwindigkeitssysteme sind anders.
Schauen wir uns zunächst den Kondensator an. Die Funktion des Kondensators besteht lediglich darin, die Ladung zu speichern. Wir alle wissen, dass der Stromversorgung eine Kondensatorfilterung hinzugefügt werden sollte und zur Entkopplung usw. ein {{0}}.1uF-Kondensator auf dem Leistungspin jedes Chips platziert werden sollte. Warum sehe ich diesen Kondensator? neben dem Power-Pin einiger Board-Chips steht 0,1uF oder 0,01uF Ja, wozu? Um diese Wahrheit zu verstehen, müssen wir die tatsächlichen Eigenschaften von Kondensatoren verstehen. Ein idealer Kondensator ist lediglich ein Ladungsspeicher, nämlich C. Der tatsächlich hergestellte Kondensator ist jedoch nicht so einfach. Bei der Analyse der Integrität der Stromversorgung ist das häufig verwendete Kondensatormodell in der folgenden Abbildung dargestellt.
In der Abbildung ist ESR der Serienäquivalentwiderstand des Kondensators, ESL die Serienäquivalentinduktivität des Kondensators und C der tatsächlich ideale Kondensator. ESR und ESL werden durch den Herstellungsprozess und die Materialien des Kondensators bestimmt und können nicht eliminiert werden. Welche Auswirkung haben diese beiden Dinge auf die Schaltung? ESR beeinflusst die Welligkeit der Stromversorgung und ESL beeinflusst die Filterfrequenzcharakteristik des Kondensators.
Wir wissen, dass die kapazitive Reaktanz Zc=1/ωC des Kondensators, die induktive Reaktanz Zl=ωL der Induktivität (ω=2πf) und die komplexe Impedanz des tatsächlichen Kondensators sind ist Z=ESR plus jωL-1/jωC=ESR plus j2πf L-1/j2πf c. Es ist ersichtlich, dass die Kapazität eine Rolle spielt, wenn die Frequenz sehr niedrig ist, und wenn die Frequenz bis zu einem bestimmten Niveau hoch ist, kann die Rolle der Induktivität nicht ignoriert werden, und wenn die Frequenz höher ist, spielt die Induktivität eine Rolle Hauptrolle. Der Kondensator verliert seine Filterwirkung. Denken Sie also daran, dass der Kondensator bei hoher Frequenz nicht nur ein Kondensator ist.
Wie oben erwähnt, wird die äquivalente Serieninduktivität des Kondensators durch den Herstellungsprozess und das Material des Kondensators bestimmt. Der ESL des eigentlichen Chip-Keramikkondensators reicht von einigen Zehntel nH bis zu mehreren nH, und je kleiner das Gehäuse, desto kleiner der ESL.
Aus der Filterkurve des obigen Kondensators können wir auch erkennen, dass er nicht flach ist, sondern wie ein „V“, das heißt, er hat frequenzselektive Eigenschaften, und wir hoffen, dass er so flach wie möglich ist ( (Filterung auf Platinenebene vor der Stufe), und manchmal möchten Sie, dass es so scharf wie möglich ist (Filterung oder Notching). Was diese Eigenschaft beeinflusst, ist der Qualitätsfaktor Q des Kondensators, Q=1/ωCESR. Je größer der ESR, desto kleiner der Q und desto flacher die Kurve. Im Gegenteil: Je kleiner der ESR, desto größer der Q und desto steiler die Kurve. Normalerweise haben Tantalkondensatoren und Aluminiumelektrolyte einen relativ kleinen ESL, aber ESR ist groß, sodass Tantalkondensatoren und Aluminiumelektrolyte einen breiten effektiven Frequenzbereich haben, der sich sehr gut für den Front-End-Board-Level-Filter eignet. Das heißt, zur Filterung in der Eingangsstufe von DCDC oder LDO wird häufig ein Tantalkondensator mit großer Kapazität verwendet. Platzieren Sie zur Entkopplung einige 10uF- und 0,1uF-Kondensatoren in der Nähe des Chips. Keramikkondensatoren haben einen sehr niedrigen ESR.
