Global Sources
電子工程專輯
 
電子工程專輯 > 功率技術/新能源
 
 
功率技術/新能源  

電壓調整電路中的濾波電容應用分析

上網時間: 2007年08月16日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:電源濾波  電容  穩壓器 

在消費性電子產品系統中,體積越來越小,元件擺放越來越密,類比與數位部份已很難透過佈局有效地區分,系統設計工程師往往在電源網路中使用很多電容,衰減高頻數位噪音,期望能‘淨化’電源,減少對類比電路的干擾。

穩壓器中,輸入、輸出端通常都各有一個電容,跨接在輸入、輸出接腳和地(GND)之間。輸入電容的主要作用是濾除交流噪音,抑制輸入端的電壓變化。而輸出電容的作用除了構成反饋迴路的一部份之外(增加一個額外的零點,當然不可避免的也會帶來一個極點,提高迴路的相位裕量),還可以抑制由負載電流或輸入電壓瞬變引起的輸出電壓變化。從某種角度來說,濾除交流噪音與抑制電壓突變在本質上是相同的,即去除交流訊號。

電容特性

不同介質的電容特性相差甚遠。在描述電容的特性之前,我們必須瞭解以下幾項參數:

電阻:符號R,是指通過導體的直流電壓與電流比,單位為歐姆。

電抗:符號X,是交流電路中由電感和電容引起的阻抗部份,包括感抗(XL)和容抗(XC),單位為歐姆。

阻抗:符號Z,是一個複合參數,實部為電阻,虛部為電抗,單位為歐姆,所以阻抗也可以表示為:Z=R+jX。

電導:符號G,是指通過導體的直流電流與電壓比,電阻的倒數,單位為西門子(Siemens)。

電納:符號B,是導納的虛數部份,包括容納(BC)和感納(BL),單位為西門子。

導納:符號Y,是阻抗Z的倒數,也是一個複合參數,實部為電導,虛部為電納,單位為西門子,也可以表示為:Y=G+jB

導納Y通常表示的是元件並聯的情況,而阻抗Z表示的則是元件串聯的情況,見圖1。

其中,





所以對於串聯的元件組合,如果θ>0℃,則說明元件兩端有感性,越接近90℃,感性越強,當θ=90℃時,為純感性元件。同樣θ<0℃,則說明元件有容性,越接近-90℃,容性越強,當θ=-90℃時,為純容性元件。常見的幾種類型的電容特點如表1所示,

表1:不同種類電容的優缺點。
表1:不同種類電容的優缺點。

現實中並沒有純電阻,也沒有純電容或電感,都是這幾種理想元件的組合。實際的電解電容等效電路可以圖2表示。其中Ra為介質吸收引起的電阻,Ca為介質吸收引起的電容,RLE為漏電引起的電阻,RL為接腳引起的電阻,LL為接腳引起的電感。實際上多層陶瓷電容的等效電路可如圖3所示,對於作為濾波用的電容,當然不希望有ESL,即使在高頻也能保持良好的容性,即θ等於或接近-90度。

圖1:阻抗與導納的表示方法。
圖1:阻抗與導納的表示方法。

圖2:電解電容的等效電路。
圖2:電解電容的等效電路。

電容特性的實際測量

因此,我們只需要測量出電容接腳兩端的串聯電阻(RS)、串聯電容(CS)、串聯電感(LS)、阻抗(Z)以及夾角(θ)在對應頻率下的值,即可以較為全面地評估電容特性。此處以Rubycon YXF系列電解電容為例,使用安捷倫的4284A Precision LCR Meter測試,得到表2中的數據。

表2:Rubycon YXF系列電解電容測試數據。[測試條件:Vbias=0V,Vac=1.0V]
表2:Rubycon YXF系列電解電容測試數據。[測試條件:Vbias=0V,Vac=1.0V]

從表2數據可看出,50V/10uF電解電容在f>800k時失去容性,呈現弱感性。表3則是Taiyo yuden貼片多層陶瓷電容16V/1uF、16V/0.1uF的測試數據。以上兩顆電容在1MHz頻率以內均保持較高的Q值,呈現出良好的容性特徵。

表3:多層陶瓷電容測試數據[測試條件:Vbias=0V,Vac=1.0V]。
<p>
表3:多層陶瓷電容測試數據[測試條件:Vbias=0V,Vac=1.0V]。

電容的並聯效果

既然實際的電容特性與理想電容有一定的差距,那麼接在輸入、輸出端的濾波電容具備何種作用呢?將兩顆電容並聯到GND,一顆是容值較大的電解電容,另一顆是容值較小的陶瓷電容,如C1=10uF,C2=0.1uF,為了研究並聯的交流特性,加入一只電阻R0,等效成如下電路,交流特性的影響是由兩只電容引起的,如圖4所示。

其中R0為訊號源內阻,R1為電容C1的等效串聯電阻,R2為電容C2的等效串聯電阻。傳輸函數可以表示成下式,


從上式不難看出,系統包括兩個極點,兩個零點。


,
,當滿足條件C1>>C2,R1>>R2時,極點可以下式表達:



以上述的50V/10uF電解電容,和16V/1uF陶瓷電容的數據為依據,對上述元件賦予如下的值,即ESR取f=100kHz的值,R0=1Ω,C1=8.21uF,C2=0.997uF,R1=774mΩ,R2=190mΩ,圖3的網路頻率特性如圖4所示,

圖3:多層陶瓷電容的等效電路。
圖3:多層陶瓷電容的等效電路。

圖4:兩只電容並聯的交流等效電路。
圖4:兩只電容並聯的交流等效電路。

從上圖看出,在緊接著第一個極點P1之後,出現了第一個零點Z1,它是由R1、C1形成的,如果沒有電容C2,AC曲線將保持水準,不再有衰減。正是由於C2的存在,使得增益在通過第二個極點P2之後繼續衰減,直至第二個零點Z2。因此要使兩只電容並聯的增益衰減更多,就可將Z2外移,也就是使電容C2以及R2遠小於C1、R1。

這是假定電容C、ESR在所有頻率下都是定值的條件下,用MATHCAD計算出的理想曲線。實際上,根據上表中的數據,C、ESR會隨著頻率而變化,而且在高頻時會出現ESL,考慮到這些因素,得到的曲線如圖5所示。

圖5:兩只電容並聯的幅度/相位頻率特性。
圖5:兩只電容並聯的幅度/相位頻率特性。

圖6是使用網路分析儀(Agilent 4395A)得到的實際頻響曲線。

圖6:根據實測數據計算出的頻率特性。
圖6:根據實測數據計算出的頻率特性。

在頻率小於100kHz時,圖5與圖6幾乎沒有差別,大約在f>700kHz,由於ESL的作用,增益上翹。當滿足條件R1×C1=R2×C2時,根據上式系統可以簡化成一個極點,一個零點。現實中滿足這種條件的有兩種情況,兩只電容C1、C2完全相同,意味著類型、容值、ESR和頻率特性等一樣。

容值與ESR成反比,對於同一類型的電容,實際上也基本滿足這個規律。此時其零、極點變為

零點 ->

極點 ->

實際上此時可以等效成1個電容,它的容值為兩個電容的並聯,Ce=C1//C2,ESR為兩個ESR並聯,Re=R1//R2。

圖7:網路分析測到的頻率特性。
圖7:網路分析測到的頻率特性。

三只電容並聯的情況如圖8所示,傳輸函數可以表示成

圖8:三只電容並聯的交流等效電路。
圖8:三只電容並聯的交流等效電路。


從上式不難看出,系統包括三個極點,三個零點。

假定上述元件給出值如下,R0=1Ω、C1=10uF、C2=1uF、C3=0.1uF、R1=2Ω、R2=100mΩ、R3=50mΩ,網路的頻率特性如圖9,

圖9:三只電容並聯運算出的頻率響應。
圖9:三只電容並聯運算出的頻率響應。

衰減從第一個極點P1開始,到最後一個零點Z3結束。P1是由C1、R0+R1引起的,Z3是由C3、R3引起的。在類似情況下,當滿足R1×C1=R2×C2=R3×C3時,仍可以等效成一只電容,其容值為三個電容的並聯Ce=C1//C2//C3,ESR為三個電阻並聯Re=R1//R2//R3。

對於線性穩壓器,用戶只關心輸出端的交流噪音。這個噪音只有兩個來源,一個來自輸入端,另一個來自穩壓器本身。而BCD的新一代線性穩壓器能夠很好地解決這兩個問題。晶片本身出色的PSRR性能可抑制來自輸入端的交流噪音,尤其是在低頻部份;而自身的輸出噪音很低,幾乎可以忽略。如AP2121,PSRR為70dB,從DC可以持續到1kHz,10Hz~100kHz之間的噪音電壓只有30uVrms。因此在使用AP2121時,根本不需要再額外使用多個電容並聯,尤其是大的電解電容,就可以得到乾淨的電壓源。

本文小結

為了實現更好的噪音衰減,當使用多只電容並聯時,應選擇ESR與C各不相同的電容,如此將使衰減曲線從第一個極點開始,一直到最後一個零點結束,容值最大的電容決定了衰減的起始頻率,容值最小的電容決定了衰減的終止頻率,且務必減少接腳長度,防止出現ESL。當使用AP2121等高PSRR、低噪音線性穩壓器時,只需要使用一顆晶片式陶瓷電容,推薦值為1uF。

作者:

王玉

系統工程師

BCD半導體製造有限公司




投票數:   加入我的最愛
我來評論 - 電壓調整電路中的濾波電容應用分析
評論:  
*  您還能輸入[0]個字
*驗證碼:
 
論壇熱門主題 熱門下載
 •   將邁入40歲的你...存款多少了  •  深入電容觸控技術就從這個問題開始
 •  我有一個數位電源的專利...  •  磷酸鋰鐵電池一問
 •   關於設備商公司的工程師(廠商)薪資前景  •  計算諧振轉換器的同步整流MOSFET功耗損失
 •   Touch sensor & MEMS controller  •  針對智慧電表PLC通訊應用的線路驅動器
 •   下週 深圳 llC 2012 關於PCB免費工具的研討會  •  邏輯閘的應用


EE人生人氣排行
 
返回頁首