一文浅析电容的作用/选择/参数应用电源/新能源

作为无源元件之一的电容,其作用不外乎以下几种:

1)旁路

2)去藕

去藕电容就是起到一个“电池”的作用,满足驱动电路电流的变化,避免相互间的耦合干扰。将旁路电容和去藕电容结合起来将更容易理解。

旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象,而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象,防止干扰信号返回电源。这应该是他们的本质区别。

3)滤波

曾有网友形象地将滤波电容比作“水塘”。由于电容的两端电压不会突变,由此可知,信号频率越高则衰减越大,可很形象的说电容像个水塘,不会因几滴水的加入或蒸发而引起水量的变化。它把电压的变动转化为电流的变化,频率越高,峰值电流就越大,从而缓冲了电压。滤波就是充电,放电的过程。

4)储能

1)耦合

2)振荡/同步

这就是常见的R、C串联构成的积分电路。当输入信号电压加在输入端时,电容(C)上的电压逐渐上升。而其充电电流则随着电压的上升而减小。电流通过电阻(R)、电容(C)的特性通过下面的公式描述:

i=(V/R)e-(t/CR)

二、电容的选择

通常,应该如何为我们的电路选择一颗合适的电容呢?笔者认为,应基于以下几点考虑:

1)静电容量;

2)额定耐压;

3)容值误差;

4)直流偏压下的电容变化量;

5)噪声等级;

6)电容的类型;

下面是chipcapacitor根据电介质的介电常数分类,介电常数直接影响电路的稳定性。

Y5VorYF(K>15000):容量稳定性较X7R差(C<+20%~-80%),容量损耗对温度、电压等测试条件较敏感,但由于其K值较大,所以适用于一些容值要求较高的场合。

三、电容的分类

电容的分类方式及种类很多,基于电容的材料特性,其可分为以下几大类:

1)铝电解电容

电容容量范围为0.1μF~22000μF,高脉动电流、长寿命、大容量的不二之选,广泛应用于电源滤波、解藕等场合。

电容容量范围为2.2μF~560μF,低等效串联电阻(ESR)、低等效串联电感(ESL)。脉动吸收、瞬态响应及噪声抑制都优于铝电解电容,是高稳定电源的理想选择。

4)陶瓷电容

电容容量范围为0.5pF~100μF,独特的材料和薄膜技术的结晶,迎合了当今“更轻、更薄、更节能“的设计理念。

5)超级电容

电容容量范围为0.022F~70F,极高的容值,因此又称做“金电容”或者“法拉电容”。主要特点是:超高容值、良好的充/放电特性,适合于电能存储和电源备份。缺点是耐压较低,工作温度范围较窄。

四、多层陶瓷电容

也就是说,小型化、高速度和高性能、耐高温条件、高可靠性已成为陶瓷电容的关键特性。

陶瓷电容的容量随直流偏置电压的变化而变化。直流偏置电压降低了介电常数,因此需要从材料方面,降低介电常数对电压的依赖,优化直流偏置电压特性。

应用中较为常见的是X7R(X5R)类多层陶瓷电容,它的容量主要集中在1000pF以上,该类电容器主要性能指标是等效串联电阻(ESR),在高波纹电流的电源去耦、滤波及低频信号耦合电路的低功耗表现比较突出。

五、钽电容替代电解电容的误区

通常的看法是钽电容性能比铝电容好,因为钽电容的介质为阳极氧化后生成的五氧化二钽,它的介电能力(通常用ε表示)比铝电容的三氧化二铝介质要高。因此在同样容量的情况下,钽电容的体积能比铝电容做得更小。(电解电容的电容量取决于介质的介电能力和体积,在容量一定的情况下,介电能力越高,体积就可以做得越小,反之,体积就需要做得越大)再加上钽的性质比较稳定,所以通常认为钽电容性能比铝电容好。

但这种凭阳极判断电容性能的方法已经过时了,目前决定电解电容性能的关键并不在于阳极,而在于电解质,也就是阴极。因为不同的阴极和不同的阳极可以组合成不同种类的电解电容,其性能也大不相同。采用同一种阳极的电容由于电解质的不同,性能可以差距很大,总之阳极对于电容性能的影响远远小于阴极。

还有一种看法是认为钽电容比铝电容性能好,主要是由于钽加上二氧化锰阴极助威后才有明显好于铝电解液电容的表现。如果把铝电解液电容的阴极更换为二氧化锰,那么它的性能其实也能提升不少。

可以肯定,ESR是衡量一个电容特性的主要参数之一。但是,选择电容,应避免ESR越低越好,品质越高越好等误区。衡量一个产品,一定要全方位、多角度的去考虑,切不可把电容的作用有意无意的夸大。

---以上引用了部分网友的经验总结。

普通电解电容的结构是阳极和阴极和电解质,阳极是钝化铝,阴极是纯铝,所以关键是在阳极和电解质。阳极的好坏关系着耐压电介系数等问题。

六、旁路电容的应用问题

通常采用旁路电容来解决稳压器无法适应系统中高速器件引起的负载变化,以确保电源输出的稳定性及良好的瞬态响应。旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件,它能使稳压器的输出均匀化,降低负载需求。就像小型可充电电池一样,旁路电容能够被充电,并向器件进行放电。为尽量减少阻抗,旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。这能够很好地防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。地弹是地连接处在通过大电流毛刺时的电压降。

应该明白,大容量和小容量的旁路电容都可能是必需的,有的甚至是多个陶瓷电容和钽电容。这样的组合能够解决上述负载电流或许为阶梯变化所带来的问题,而且还能提供足够的去耦以抑制电压和电流毛刺。在负载变化非常剧烈的情况下,则需要三个或更多不同容量的电容,以保证在稳压器稳压前提供足够的电流。快速的瞬态过程由高频小容量电容来抑制,中速的瞬态过程由低频大容量来抑制,剩下则交给稳压器完成了。

还应记住一点,稳压器也要求电容尽量靠近电压输出端。

七、电容的等效串联电阻ESR

八、电解电容的电参数

这里的电解电容器主要指铝电解电容器,其基本的电参数包括下列五点:

1)电容值

2)损耗角正切值Tanδ

在电容器的等效电路中,串联等效电阻ESR同容抗1/ωC之比称之为Tanδ,这里的ESR是在120Hz下计算获得的值。显然,Tanδ随着测量频率的增加而变大,随测量温度的下降而增大。

3)阻抗Z

Z=√[ESR2+(XL-XC)2]

式中,XC=1/ωC=1/2πfC

XL=ωL=2πfL

电容的容抗(XC)在低频率范围内随着频率的增加逐步减小,频率继续增加达到中频范围时电抗(XL)降至ESR的值。当频率达到高频范围时感抗(XL)变为主导,所以阻抗是随着频率的增加而增加。

4)漏电流

电容器的介质对直流电流具有很大的阻碍作用。然而,由于铝氧化膜介质上浸有电解液,在施加电压时,重新形成的以及修复氧化膜的时候会产生一种很小的称之为漏电流的电流。通常,漏电流会随着温度和电压的升高而增大。

5)纹波电流和纹波电压

式中,Vrms表示纹波电压

Irms表示纹波电流

R表示电容的ESR

由上可见,当纹波电流增大的时候,即使在ESR保持不变的情况下,涟波电压也会成倍提高。换言之,当纹波电压增大时,纹波电流也随之增大,这也是要求电容具备更低ESR值的原因。叠加入纹波电流后,由于电容内部的等效串连电阻(ESR)引起发热,从而影响到电容器的使用寿命。一般的,纹波电流与频率成正比,因此低频时纹波电流也比较低。

九、电容器参数的基本公式

1)容量(法拉)

英制:C=(0.224×K·A)/TD

公制:C=(0.0884×K·A)/TD

2)电容器中存储的能量

1/2CV2

3)电容器的线性充电量

I=C(dV/dt)

4)电容的总阻抗(欧姆)

5)容性电抗(欧姆)

XC=1/(2πfC)

6)相位角Ф

理想电容器:超前当前电压90o

7)耗散系数(%)

D.F.=tanδ(损耗角)

=ESR/XC

=(2πfC)(ESR)

8)品质因素

Q=cotanδ=1/DF

9)等效串联电阻ESR(欧姆)

ESR=(DF)XC=DF/2πfC

10)功率消耗

PowerLoss=(2πfCV2)(DF)

PF=sinδ(lossangle)–cosФ(相位角)

12)均方根

rms=0.707×Vp

13)千伏安KVA(千瓦)

KVA=2πfCV2×10-3

14)电容器的温度系数

T.C.=[(Ct–C25)/C25(Tt–25)]×106

15)容量损耗(%)

CD=[(C1–C2)/C1]×100

16)陶瓷电容的可靠性

L0/Lt=(Vt/V0)X(Tt/T0)Y

17)串联时的容值

n个电容串联:1/CT=1/C1+1/C2+….+1/Cn

两个电容串联:CT=C1·C2/(C1+C2)

18)并联时的容值

CT=C1+C2+….+Cn

A.R.=%C/decadeoftime

上述公式中的符号说明如下:

K=介电常数;

A=面积;

TD=绝缘层厚度;

V=电压;

RS=串联电阻;

f=频率;

L=电感感性系数;

δ=损耗角;

Ф=相位角;

L0=使用寿命;

Lt=试验寿命;

Vt=测试电压;

V0=工作电压;

Tt=测试温度;

T0=工作温度;

X,Y=电压与温度的效应指数。

十、电源输入端的X,Y安全电容

在交流电源输入端,一般需要增加三个电容来抑制EMI传导干扰。

同理,X电容也是安全电容,必须取得安全检测机构的认证。X电容的耐压一般都标有安全认证标志和AC250V或AC275V字样,但其真正的直流耐压高达2000V以上,使用的时候不要随意使用标称耐压AC250V,或DC400V之类的普通电容来代用。

X电容一般都选用纹波电流比较大的聚脂薄膜类电容,这种电容体积一般都很大,但其允许瞬间充放电的电流也很大,而其内阻相应较小。普通电容纹波电流的指标都很低,动态内阻较高。用普通电容代替X电容,除了耐压条件不能满足以外,一般纹波电流指标也是难以满足要求的。

实际上,仅仅依赖于Y电容和X电容来完全滤除掉传导干扰信号是不太可能的。因为干扰信号的频谱非常宽,基本覆盖了几十KHz到几百MHz,甚至上千MHz的频率范围。通常,对低端干扰信号的滤除需要很大容量的滤波电容,但受到安全条件的限制,Y电容和X电容的容量都不能用大;对高端干扰信号的滤除,大容量电容的滤波性能又极差,特别是聚脂薄膜电容的高频性能一般都比较差,因为它是用卷绕工艺生产的,并且聚脂薄膜介质高频响应特性与陶瓷或云母相比相差很远,一般聚脂薄膜介质都具有吸附效应,它会降低电容器的工作频率,聚脂薄膜电容工作频率范围大约都在1MHz左右,超过1MHz其阻抗将显著增加。

因此,为抑制电子设备产生的传导干扰,除了选用Y电容和X电容之外,还要同时选用多个类型的电感滤波器,组合起来一起滤除干扰。电感滤波器多属于低通滤波器,但电感滤波器也有很多规格类型,例如有:差模、共模,以及高频、低频等。每种电感主要都是针对某一小段频率的干扰信号滤除而起作用,对其它频率的干扰信号的滤除效果不大。通常,电感量很大的电感,其线圈匝数较多,那么电感的分布电容也很大。高频干扰信号将通过分布电容旁路掉。而且,导磁率很高的磁芯,其工作频率则较低。目前,大量使用的电感滤波器磁芯的工作频率大多数都在75MHz以下。对于工作频率要求比较高的场合,必须选用高频环形磁芯,高频环形磁芯导磁率一般都不高,但漏感特别小,比如,非晶合金磁芯,坡莫合金等。

THE END
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