U procesu izgradnje prekidačkog napajanja, kako treba pravilno odabrati filterski kondenzator?
Filterski kondenzator igra vrlo važnu ulogu u prekidačkom napajanju. Kako pravilno odabrati kondenzator filtera, a posebno izbor izlaznog filter kondenzatora je problem koji brine svakog inženjera i tehničara. Možemo vidjeti razne kondenzatore na krugu filtera napajanja, 100uF, 10uF, 100nF, 10nF sa različitim vrijednostima kapacitivnosti, pa kako se ovi parametri određuju? Nemojte mi reći da sam kopirao tuđi šematski dijagram, ha, ha.
Za uobičajene elektrolitičke kondenzatore koji se koriste u strujnim krugovima frekvencije od 50 Hz, pulsirajuća frekvencija napona je samo 100 Hz, a vrijeme punjenja i pražnjenja je reda veličine milisekundi. Da bi se dobio manji koeficijent pulsiranja, potrebna je kapacitivnost i do stotine hiljada μF. Stoga je cilj običnih niskofrekventnih aluminijskih elektrolitskih kondenzatora povećanje kapacitivnosti. Glavni parametri za i protiv. Međutim, elektrolitički kondenzator izlaznog filtera u prekidačkom napajanju ima frekvenciju napona pilastog talasa do nekoliko desetina kHz, ili čak desetina MHz. U ovom trenutku, kapacitivnost nije glavni indikator. Standard za mjerenje kvaliteta visokofrekventnih aluminijskih elektrolitskih kondenzatora je "impedansa-"frekvencijska" karakteristika, potrebno je imati nižu ekvivalentnu impedanciju unutar radne frekvencije sklopnog napajanja, a istovremeno imati dobro filtriranje uticaj na visokofrekventne skokove koji nastaju kada poluprovodnički uređaj radi.
Obični niskofrekventni elektrolitski kondenzatori počinju pokazivati induktivnost na oko 10kHz, što ne može zadovoljiti zahtjeve prekidača napajanja. Visokofrekventni aluminijumski elektrolitički kondenzator namenjen prekidačkom napajanju ima četiri terminala. Dva kraja pozitivnog aluminijumskog lima su izvučena kao pozitivna elektroda kondenzatora, a dva kraja negativnog aluminijumskog lima su takođe izvučena kao negativna elektroda. Struja teče sa jednog pozitivnog terminala kondenzatora sa četiri terminala, prolazi kroz unutrašnjost kondenzatora, a zatim teče od drugog pozitivnog terminala do opterećenja; struja koja se vraća iz opterećenja također teče s jednog negativnog terminala kondenzatora, a zatim teče od drugog negativnog terminala do negativnog terminala napajanja.
Pošto kondenzator sa četiri terminala ima dobre visokofrekventne karakteristike, on predstavlja izuzetno povoljno sredstvo za smanjenje pulsirajuće komponente napona i suzbijanje buke preklopnih skokova. Visokofrekventni aluminijumski elektrolitički kondenzatori takođe imaju višejezgrenu formu, odnosno aluminijumska folija je podeljena na nekoliko kraćih delova, a više vodova je povezano paralelno kako bi se smanjila komponenta impedancije u kapacitivnoj reaktansi. A upotreba materijala niske otpornosti kao izlaznih terminala poboljšava sposobnost kondenzatora da izdrži velike struje.
Da bi digitalna kola radila stabilno i pouzdano, napajanje mora biti "čisto", a dopuna energije mora biti pravovremena, odnosno filtriranje i razdvajanje moraju biti dobri. Ono što je filtriranje i razdvajanje, jednostavno rečeno, to je skladištenje energije kada čipu nije potrebna struja, a ja mogu napuniti energiju na vrijeme kada vam je potrebna struja. Nemojte mi reći da ova odgovornost nije za DCDC i LDO? Da, na niskim frekvencijama mogu to da podnesu, ali digitalni sistemi velike brzine su drugačiji.
Pogledajmo prvo kondenzator. Funkcija kondenzatora je jednostavno pohranjivanje naboja. Svi znamo da na napajanje treba dodati kondenzatorsko filtriranje, a kondenzator {{0}}.1uF treba staviti na pin napajanja svakog čipa za razdvajanje itd. Zašto vidim da je kondenzator pored pina za napajanje nekih čipova na ploči je 0.1uF ili 0.01uF Da, koja je poenta? Da bismo razumjeli ovu istinu, moramo razumjeti stvarne karakteristike kondenzatora. Idealan kondenzator je samo skladište naboja, naime C. Međutim, stvarni proizvedeni kondenzator nije tako jednostavan. Prilikom analize integriteta napajanja, najčešće korišteni model kondenzatora prikazan je na donjoj slici.
Na slici, ESR je serijski ekvivalentni otpor kondenzatora, ESL je serijski ekvivalentni induktivitet kondenzatora, a C je pravi idealni kondenzator. ESR i ESL su određeni proizvodnim procesom i materijalima kondenzatora i ne mogu se eliminirati. Kakav uticaj ove dve stvari imaju na kolo. ESR utiče na talasanje napajanja, a ESL utiče na karakteristike frekvencije filtera kondenzatora.
Znamo da je kapacitivna reaktancija Zc=1/ωC kondenzatora, induktivna reaktancija Zl=ωL induktora, (ω=2πf), i kompleksna impedansa stvarnog kondenzatora je Z=ESR plus jωL-1/jωC=ESR plus j2πf L-1/j2πf c. Može se vidjeti da kada je frekvencija vrlo niska, kapacitivnost igra ulogu, a kada je frekvencija visoka do određenog nivoa, uloga induktivnosti se ne može zanemariti, a kada je frekvencija veća, induktivnost će igrati vodeća uloga. Kondenzator gubi svoj efekat filtriranja. Zato zapamtite, kada je frekvencija visoka, kondenzator nije samo kondenzator.
Kao što je gore spomenuto, ekvivalentna serijska induktivnost kondenzatora određena je proizvodnim procesom i materijalom kondenzatora. ESL stvarnog čip keramičkog kondenzatora kreće se od nekoliko desetina nH do nekoliko nH, a što je manji paket, to je manji ESL.
Iz krivulje filtera kondenzatora iznad, također možemo vidjeti da nije ravan, da je kao 'V', to jest, ima karakteristike selektivne frekvencije, i nadamo se da je što ravniji ( filtriranje na nivou ploče prije faze), a ponekad želite da bude što oštrije (filtriranje ili urezivanje). Ono što utiče na ovu karakteristiku je faktor kvaliteta Q kondenzatora, Q=1/ωCESR, što je veći ESR, manji je Q, a kriva je ravnija. Naprotiv, što je manji ESR, veći je Q, a kriva je oštrija. Obično, tantalski kondenzatori i aluminijumski elektrolitici imaju relativno mali ESL, ali ESR je velik, tako da tantalski kondenzatori i aluminijumski elektrolitici imaju širok efektivni frekventni opseg, što je vrlo pogodno za filter nivoa na prednjoj ploči. To znači da se tantalski kondenzator velikog kapaciteta često koristi za filtriranje na ulaznom stupnju DCDC ili LDO. I stavite neke kondenzatore od 10uF i 0,1uF blizu čipa za razdvajanje, keramički kondenzatori imaju vrlo nizak ESR.
