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【電容】 應用于電源電路和信號電路的作用

發(fā)布時間:2020-02-20 責任編輯:lina

【導讀】電容作為重要的無源元件,應用十分廣泛。本文將介紹電容應用于電源電路,實現(xiàn)旁路、去耦、濾波和儲能方面電容的作用,以及電容應用于信號電路,完成耦合、振蕩/同步及時間常數(shù)的作用詳解。
 
電容
作為重要的無源元件,應用十分廣泛。本文將介紹電容應用于電源電路,實現(xiàn)旁路、去耦、濾波和儲能方面電容的作用,以及電容應用于信號電路,完成耦合、振蕩/同步及時間常數(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:
 
電容應用于電源電路,實現(xiàn)濾波、旁路、去耦和儲能方面電容的作用:
 
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用到。從理論上(即假設電容為純電容)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增大。
 
有時會看到有一個電容量較大電解電容并聯(lián)了一個小電容,這時大電容通低頻,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水塘,不會因幾滴水的加入或蒸發(fā)而引起水量的變化。它把電壓的變動轉化為電流的變化,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。
 
【電容】 應用于電源電路和信號電路的作用

2 旁路
 
旁路電容是為本地器件提供能量的儲能器件,它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化,降低負載需求。就像小型可充電電池一樣,旁路電容能夠被充電,并向器件進行放電。為盡量減少阻抗,旁路電容要盡量靠近負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的電壓降。
 
3 去耦
 
去耦,又稱解耦。從電路來說,總是可以區(qū)分為驅動的源和被驅動的負載。如果負載電容比較大,驅動電路要把電容充電、放電,才能完成信號的跳變,在上升沿比較陡峭的時候,電流比較大,這樣驅動的電流就會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,會產生反彈),這種電流相對于正常情況來說實際上就是一種噪聲,會影響前級的正常工作。這就是耦合。
 
去耦電容就是起到一個電池的作用,滿足驅動電路電流的變化,避免相互間的耦合干擾。將旁路電容和去耦電容結合起來將更容易理解。
 
旁路電容實際也是去耦合的,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),以及驅動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。這應該是他們的本質區(qū)別。
 
4 儲能
 
儲能型電容器通過整流器收集電荷,并將存儲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,器件有時會采用串聯(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。
 
 
電容應用于信號電路,主要完成耦合、振蕩/同步及時間常數(shù)的作用:
 
1 耦合
 
舉個例子來講,晶體管放大器發(fā)射極有一個自給偏壓電阻,它同時又使信號產生壓降反饋到輸入端形成了輸入輸出信號耦合,這個電阻就是產生了耦合的元件,如果在這個電阻兩端并聯(lián)一個電容,由于適當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生的耦合效應,故稱此電容為去耦電容。
 
2 振蕩/同步
 
包括RC、LC振蕩器及晶體的負載電容都屬于這一范疇。
 
3 時間常數(shù)
 
當輸入信號電壓加在輸入端時,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談電容在使用中的注意事項:
 
1 什么是好電容
 
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提供的電流補償?shù)哪芰υ綇姟G也徽f電容容量的增大帶來的體積變大,增加成本的同時還影響空氣流動和散熱。關鍵在于電容上存在寄生電感,電容放電回路會在某個頻點上發(fā)生諧振。在諧振點,電容的阻抗小。
因此放電回路的阻抗最小,補充能量的效果也最好。但當頻率超過諧振點時,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是錯誤的,一般的電路設計中都有一個參考值的。
 
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、溫度等都有關系。當電壓固定時候,容量越大,ESR越低。在板卡設計中采用多個小電容并連多是出與PCB空間的限制,這樣有的人就認為,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的阻抗,采用多個小電容并聯(lián),效果并不一定突出。
 
ESR越低,效果越好:對于輸入電容來說,輸入電容的容量要大一點。相對容量的要求,對ESR的要求可以適當?shù)慕档汀R驗檩斎腚娙葜饕悄蛪?,其次是吸收MOSFET的開關脈沖。對于輸出電容來說,耐壓的要求和容量可以適當?shù)慕档鸵稽c。
ESR的要求則高一點,因為這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電容會引起開關電路振蕩。而消振電路復雜同時會導致成本的增加。板卡設計中,這里一般有一個參考值,此作為元件選用參數(shù),避免消振電路而導致成本的增加。
 
好電容代表著高品質:“唯電容論”曾經(jīng)盛極一時,一些廠商和媒體也刻意的把這個事情做成一個賣點。在板卡設計中,電路設計水平是關鍵。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)定的產品一樣,一味的采用高價電容,不一定能做出好產品。衡量一個產品,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。
 
2 電容爆漿種類
 
爆漿的種類:分兩類,輸入電容爆漿和輸出電容爆漿。
 
輸入電容爆漿和電源輸入電流的品質有關。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,長時間處于這類工作環(huán)境下的電容,內部溫度升高很快。超過泄爆口的承受極限就會發(fā)生爆漿。
 
對于輸出電容來說,對經(jīng)電源模塊調整后的電流進行濾波,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,報也。采用垃圾東西自然要爆,報應啊。欲知過去因者,見其現(xiàn)在果;欲知未來果者,見其現(xiàn)在因。
 
3 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重要的參數(shù)就是耐溫值,指的就是電容內部電解液的沸點。當電容的內部溫度達到電解液的沸點時,電解液開始沸騰,電容內部的壓力升高,當壓力超過泄爆口的承受極限就發(fā)生了爆漿。所以說溫度是導致電容爆漿的直接原因。
 
電容設計使用壽命大約為2萬小時,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,實驗證明環(huán)境溫度每升高10℃,電容的壽命就會減半。主要原因就是溫度加速化學反應而使介質隨時間退化失效,這樣電容壽命終結。為了保證電容的穩(wěn)定性,電容在插板前要經(jīng)過長時間的高溫環(huán)境的測試。即使是在100℃,高品質的電容也可以工作幾千個小時。
 
同時,我們提到的電容的壽命是指電容在使用過程中,電容容量不會超過標準范圍變化的10%。電容壽命指的是電容容量的問題,而不是設計壽命到達之后就發(fā)生爆漿。只是無法保證電容的設計的容量標準。
 
所以,短時期內,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導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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