Nel processo di costruzione di un alimentatore switching, come dovrebbe essere selezionato correttamente il condensatore del filtro?
Il condensatore di filtro svolge un ruolo molto importante nell'alimentazione a commutazione. Come selezionare correttamente il condensatore del filtro, in particolare la selezione del condensatore del filtro di uscita è un problema di cui ogni ingegnere e tecnico è molto preoccupato. Possiamo vedere vari condensatori sul circuito del filtro di potenza, 100uF, 10uF, 100nF, 10nF con diversi valori di capacità, quindi come vengono determinati questi parametri? Non dirmi che ho copiato il diagramma schematico di qualcun altro, eh, eh.
Per i comuni condensatori elettrolitici utilizzati nei circuiti con frequenza di alimentazione di 50 Hz, la frequenza della tensione pulsante è di soli 100 Hz e il tempo di carica e scarica è dell'ordine di millisecondi. Per ottenere un coefficiente di pulsazione inferiore, la capacità richiesta è pari a centinaia di migliaia di μF. Pertanto, l'obiettivo dei normali condensatori elettrolitici in alluminio a bassa frequenza è aumentare la capacità. I principali parametri di pro e contro. Tuttavia, il condensatore elettrolitico del filtro di uscita nell'alimentatore a commutazione ha una frequenza di tensione dell'onda a dente di sega fino a decine di kHz, o anche decine di MHz. In questo momento, la capacità non è l'indicatore principale. Lo standard per misurare la qualità dei condensatori elettrolitici in alluminio ad alta frequenza è "impedenza- caratteristiche di "frequenza", è necessario avere un'impedenza equivalente inferiore all'interno della frequenza operativa dell'alimentatore a commutazione e allo stesso tempo avere un buon filtraggio effetto sui picchi ad alta frequenza generati quando il dispositivo a semiconduttore è in funzione.
I normali condensatori elettrolitici a bassa frequenza iniziano a mostrare induttività a circa 10 kHz, che non possono soddisfare i requisiti degli alimentatori a commutazione. Il condensatore elettrolitico in alluminio ad alta frequenza dedicato all'alimentazione switching ha quattro terminali. Le due estremità del foglio di alluminio positivo sono rispettivamente estratte come elettrodo positivo del condensatore, e anche le due estremità del foglio di alluminio negativo sono rispettivamente estratte come elettrodo negativo. La corrente fluisce da un terminale positivo del condensatore a quattro terminali, passa attraverso l'interno del condensatore e quindi fluisce dall'altro terminale positivo al carico; anche la corrente di ritorno dal carico fluisce da un terminale negativo del condensatore, quindi fluisce dall'altro terminale negativo al terminale negativo dell'alimentatore.
Poiché il condensatore a quattro terminali ha buone caratteristiche ad alta frequenza, fornisce un mezzo estremamente favorevole per ridurre la componente pulsante della tensione e sopprimere il rumore di picco di commutazione. Anche i condensatori elettrolitici in alluminio ad alta frequenza hanno una forma multi-core, ovvero il foglio di alluminio è diviso in diverse sezioni più corte e più conduttori sono collegati in parallelo per ridurre la componente di impedenza nella reattanza capacitiva. Inoltre, l'uso di materiali a bassa resistività come terminali di uscita migliora la capacità del condensatore di resistere a correnti elevate.
Affinché i circuiti digitali funzionino in modo stabile e affidabile, l'alimentazione deve essere "pulita" e il rifornimento di energia deve essere tempestivo, ovvero il filtraggio e il disaccoppiamento devono essere buoni. Ciò che è filtraggio e disaccoppiamento, in poche parole, è immagazzinare energia quando il chip non ha bisogno di corrente e posso ricostituire l'energia in tempo quando hai bisogno di corrente. Non dirmi che questa responsabilità non è per DCDC e LDO? Sì, alle basse frequenze possono gestirlo, ma i sistemi digitali ad alta velocità sono diversi.
Diamo prima un'occhiata al condensatore. La funzione del condensatore è semplicemente quella di immagazzinare la carica. Sappiamo tutti che il filtro del condensatore dovrebbe essere aggiunto all'alimentatore e un condensatore {{0}}.1uF dovrebbe essere posizionato sul pin di alimentazione di ciascun chip per il disaccoppiamento, ecc. Perché vedo che il condensatore accanto al pin di alimentazione di alcuni chip della scheda c'è 0.1uF o 0.01uF Sì, qual è il punto? Per comprendere questa verità, dobbiamo comprendere le effettive caratteristiche dei condensatori. Un condensatore ideale è solo un deposito di carica, vale a dire C. Tuttavia, il condensatore effettivamente prodotto non è così semplice. Quando si analizza l'integrità dell'alimentatore, il modello di condensatore comunemente utilizzato è mostrato nella figura seguente.
Nella figura, ESR è la resistenza equivalente in serie del condensatore, ESL è l'induttanza equivalente in serie del condensatore e C è il vero condensatore ideale. ESR e ESL sono determinati dal processo di fabbricazione e dai materiali del condensatore e non possono essere eliminati. Che effetto hanno queste due cose sul circuito. L'ESR influenza l'ondulazione dell'alimentazione e l'ESL influenza le caratteristiche di frequenza del filtro del condensatore.
Sappiamo che la reattanza capacitiva Zc=1/ωC del condensatore, la reattanza induttiva Zl=ωL dell'induttore, (ω=2πf) e l'impedenza complessa del condensatore effettivo è Z=ESR più jωL-1/jωC=ESR più j2πf L-1/j2πf c. Si può vedere che quando la frequenza è molto bassa, la capacità gioca un ruolo, e quando la frequenza è alta fino a un certo livello, il ruolo dell'induttanza non può essere ignorato, e quando la frequenza è più alta, l'induttanza giocherà un ruolo ruolo di primo piano. Il condensatore perde il suo effetto filtrante. Quindi ricorda, quando la frequenza è alta, il condensatore non è solo un condensatore.
Come accennato in precedenza, l'induttanza in serie equivalente del condensatore è determinata dal processo di fabbricazione e dal materiale del condensatore. L'ESL dell'attuale condensatore ceramico su chip varia da pochi decimi di nH a diversi nH, e più piccolo è il pacchetto, più piccolo è l'ESL.
Dalla curva del filtro del condensatore sopra, possiamo anche vedere che non è piatto, è come una "V", cioè ha caratteristiche selettive in frequenza, e speriamo che sia il più piatto possibile ( filtraggio a livello di scheda pre-stadio), e a volte vuoi che sia il più nitido possibile (filtraggio o notching). Ciò che influenza questa caratteristica è il fattore di qualità Q del condensatore, Q=1/ωCESR, maggiore è l'ESR, minore è il Q e più piatta è la curva. Al contrario, minore è l'ESR, maggiore è la Q e più netta è la curva. Di solito, i condensatori al tantalio e gli elettrolitici in alluminio hanno un ESL relativamente piccolo, ma l'ESR è grande, quindi i condensatori al tantalio e gli elettrolitici in alluminio hanno un'ampia gamma di frequenze effettive, che è molto adatta per il filtro a livello di scheda front-end. Vale a dire, un condensatore al tantalio di grande capacità viene spesso utilizzato per il filtraggio nello stadio di ingresso di DCDC o LDO. E metti alcuni condensatori da 10uF e 0,1uF vicino al chip per il disaccoppiamento, i condensatori ceramici hanno un ESR molto basso.
