Anahtarlamalı bir güç kaynağı oluşturma sürecinde, filtre kondansatörü nasıl uygun şekilde seçilmelidir?
Filtre kondansatörü, anahtarlama güç kaynağında çok önemli bir rol oynar. Filtre kondansatörünün nasıl doğru seçileceği, özellikle çıkış filtre kondansatörünün seçimi her mühendis ve teknisyenin çok merak ettiği bir problemdir. Güç filtresi devresinde farklı kapasitans değerlerine sahip 100uF, 10uF, 100nF, 10nF gibi çeşitli kapasitörler görebiliriz, peki bu parametreler nasıl belirleniyor? Bana başka birinin şematik diyagramını kopyaladığımı söyleme, huh, huh.
50Hz güç frekansı devrelerinde kullanılan yaygın elektrolitik kapasitörler için, atımlı voltaj frekansı yalnızca 100Hz'dir ve şarj etme ve boşaltma süresi milisaniye mertebesindedir. Daha küçük bir titreşim katsayısı elde etmek için gerekli kapasitans yüzbinlerce μF kadar yüksektir. Bu nedenle, sıradan düşük frekanslı alüminyum elektrolitik kapasitörlerin amacı kapasitansı arttırmaktır. Artıların ve eksilerin ana parametreleri. Bununla birlikte, anahtarlama güç kaynağındaki çıkış filtresi elektrolitik kondansatörü, onlarca kHz, hatta onlarca MHz kadar yüksek bir testere dişi dalga voltajı frekansına sahiptir. Şu anda kapasitans ana gösterge değildir. Yüksek frekanslı alüminyum elektrolitik kapasitörlerin kalitesini ölçmek için standart "empedans-"Frekans" özellikleridir, anahtarlama güç kaynağının çalışma frekansı içinde daha düşük bir eşdeğer empedansa sahip olması ve aynı zamanda iyi bir filtrelemeye sahip olması gerekir. yarı iletken cihaz çalışırken üretilen yüksek frekanslı ani yükselmeler üzerindeki etki.
Sıradan düşük frekanslı elektrolitik kapasitörler, anahtarlamalı güç kaynaklarının gereksinimlerini karşılayamayan yaklaşık 10 kHz'de endüktans göstermeye başlar. Anahtarlama güç kaynağına ayrılmış yüksek frekanslı alüminyum elektrolitik kondansatörün dört terminali vardır. Pozitif alüminyum levhanın iki ucu sırasıyla kapasitörün pozitif elektrotu olarak dışarı çekilir ve negatif alüminyum levhanın iki ucu da sırasıyla negatif elektrot olarak dışarı çekilir. Akım, dört uçlu kapasitörün bir pozitif terminalinden içeri akar, kapasitörün içinden geçer ve sonra diğer pozitif terminalden yüke akar; yükten dönen akım ayrıca kapasitörün bir negatif terminalinden içeri akar ve ardından diğer negatif terminalden güç kaynağının negatif terminaline akar.
Dört uçlu kapasitör, iyi yüksek frekans özelliklerine sahip olduğundan, voltajın titreşimli bileşenini azaltmak ve anahtarlama ani gürültüyü bastırmak için son derece elverişli bir araç sağlar. Yüksek frekanslı alüminyum elektrolitik kapasitörler ayrıca çok çekirdekli bir forma sahiptir, yani alüminyum folyo birkaç kısa bölüme ayrılmıştır ve kapasitif reaktansta empedans bileşenini azaltmak için çoklu uçlar paralel olarak bağlanmıştır. Çıkış terminalleri olarak düşük dirençli malzemelerin kullanılması, kapasitörün büyük akımlara dayanma yeteneğini geliştirir.
Dijital devrelerin istikrarlı ve güvenilir bir şekilde çalışması için güç kaynağının "temiz" olması ve enerji ikmalinin zamanında olması, yani filtreleme ve ayırmanın iyi olması gerekir. Basitçe söylemek gerekirse, filtreleme ve ayrıştırma nedir, çipin akıma ihtiyacı olmadığında enerjiyi depolamaktır ve akıma ihtiyacınız olduğunda enerjiyi zamanında doldurabilirim. Sakın bana bu sorumluluğun DCDC ve LDO'ya ait olmadığını söyleme? Evet, düşük frekanslarda üstesinden gelebilirler, ancak yüksek hızlı dijital sistemler farklıdır.
Önce kapasitöre bir göz atalım. Kondansatörün işlevi basitçe yükü depolamaktır. Güç kaynağına kapasitör filtreleme eklenmesi gerektiğini hepimiz biliyoruz ve dekuplaj vb. bazı kart çiplerinin güç piminin yanında 0.1uF veya 0.01uF var Evet, ne anlamı var? Bu gerçeği anlamak için kapasitörlerin gerçek özelliklerini anlamalıyız. İdeal bir kapasitör, yalnızca bir yük deposudur, yani C'dir. Ancak, gerçek üretilen kapasitör o kadar basit değildir. Güç kaynağının bütünlüğünü analiz ederken, yaygın olarak kullanılan kapasitör modeli aşağıdaki şekilde gösterilmektedir.
Şekilde, ESR kapasitörün seri eşdeğer direncidir, ESL kapasitörün seri eşdeğer endüktansıdır ve C gerçek ideal kapasitördür. ESR ve ESL, kapasitörün üretim süreci ve malzemeleri tarafından belirlenir ve ortadan kaldırılamaz. Bu iki şeyin devre üzerindeki etkisi nedir? ESR, güç kaynağının dalgalanmasını etkiler ve ESL, kapasitörün filtre frekans özelliklerini etkiler.
Kapasitörün kapasitif reaktansı Zc=1/ωC'nin, indüktörün endüktif reaktansı Zl=ωL'nin (ω=2πf) ve gerçek kapasitörün karmaşık empedansının olduğunu biliyoruz. Z=ESR artı jωL-1/jωC=ESR artı j2πf L-1/j2πf c'dir. Frekans çok düşük olduğunda kapasitansın rol oynadığı ve frekans belirli bir seviyeye yükseldiğinde endüktansın rolünün göz ardı edilemeyeceği ve frekans daha yüksek olduğunda endüktansın oynayacağı görülebilir. başrol. Kondansatör filtreleme etkisini kaybeder. Bu yüzden unutmayın, frekans yüksek olduğunda kondansatör sadece bir kondansatör değildir.
Yukarıda bahsedildiği gibi, kapasitörün eşdeğer seri endüktansı, kapasitörün üretim süreci ve malzemesi tarafından belirlenir. Gerçek çip seramik kondansatörün ESL'si, nH'nin birkaç onda biri ile birkaç nH arasında değişir ve paket ne kadar küçükse, ESL o kadar küçük olur.
Yukarıdaki kapasitörün filtre eğrisinden de düz olmadığını, 'V' gibi olduğunu, yani frekans seçici özelliklere sahip olduğunu görebiliriz ve mümkün olduğunca düz olmasını umuyoruz ( ön aşama tahta düzeyinde filtreleme) Ve bazen mümkün olduğunca keskin olmasını istersiniz (filtreleme veya çentikleme). Bu özelliği etkileyen şey, kapasitörün kalite faktörü Q'dur, Q=1/ωCESR, ESR ne kadar büyükse, Q o kadar küçük ve eğri o kadar düzdür. Aksine, ESR ne kadar küçükse, Q o kadar büyük ve eğri o kadar keskindir. Genellikle, tantal kapasitörler ve alüminyum elektrolitikler nispeten küçük ESL'ye sahiptir, ancak ESR büyüktür, bu nedenle tantal kapasitörler ve alüminyum elektrolitikler, ön uç kart seviye filtresi için çok uygun olan geniş bir etkili frekans aralığına sahiptir. Yani, DCDC veya LDO'nun giriş aşamasında filtreleme için genellikle büyük kapasiteli bir tantal kondansatör kullanılır. Ayrıştırma için çipin yakınına 10uF ve 0.1uF kapasitörler koyun, seramik kapasitörlerin ESR'si çok düşüktür.
