Kako pravilno izbrati filtrirni kondenzator v procesu gradnje stikalnega napajanja?
Filtrirni kondenzator ima zelo pomembno vlogo pri stikalnem napajalniku. Kako pravilno izbrati filtrirni kondenzator, še posebej izbira izhodnega filtrirnega kondenzatorja je problem, ki zelo skrbi vsakega inženirja in tehnika. Vidimo lahko različne kondenzatorje v vezju močnostnega filtra, 100uF, 10uF, 100nF, 10nF z različnimi kapacitivnimi vrednostmi, kako se torej določijo ti parametri? Ne mi reci, da sem kopiral shematski diagram nekoga drugega, ha, ha.
Pri običajnih elektrolitskih kondenzatorjih, ki se uporabljajo v tokokrogih z močjo 50 Hz, je frekvenca pulzirajoče napetosti samo 100 Hz, čas polnjenja in praznjenja pa je reda velikosti milisekund. Da bi dosegli manjši pulzacijski koeficient, je potrebna kapacitivnost več sto tisoč μF. Zato je cilj običajnih nizkofrekvenčnih aluminijastih elektrolitskih kondenzatorjev povečati kapacitivnost. Glavni parametri prednosti in slabosti. Vendar pa ima elektrolitski kondenzator izhodnega filtra v stikalnem napajalniku frekvenco napetosti žagastega vala do desetine kHz ali celo desetine MHz. Trenutno kapacitivnost ni glavni indikator. Standard za merjenje kakovosti visokofrekvenčnih aluminijastih elektrolitskih kondenzatorjev je "impedanca-"frekvenčne" karakteristike, zahteva se, da ima nižjo ekvivalentno impedanco znotraj delovne frekvence preklopnega napajanja in hkrati dobro filtriranje učinek na visokofrekvenčne konice, ki nastanejo med delovanjem polprevodniške naprave.
Običajni nizkofrekvenčni elektrolitski kondenzatorji začnejo kazati induktivnost pri okoli 10kHz, kar ne more zadostiti zahtevam stikalnih napajalnikov. Visokofrekvenčni aluminijasti elektrolitski kondenzator, namenjen stikalnemu napajalniku, ima štiri priključke. Oba konca pozitivne aluminijaste plošče sta izvlečena kot pozitivna elektroda kondenzatorja, oba konca negativne aluminijaste plošče pa sta prav tako izvlečena kot negativna elektroda. Tok teče iz enega pozitivnega priključka štiripolnega kondenzatorja, gre skozi notranjost kondenzatorja in nato teče od drugega pozitivnega priključka do obremenitve; tok, ki se vrača iz bremena, teče tudi iz enega negativnega priključka kondenzatorja in nato teče od drugega negativnega priključka do negativnega priključka napajalnika.
Ker ima kondenzator s štirimi sponkami dobre visokofrekvenčne karakteristike, zagotavlja izjemno ugoden način za zmanjšanje pulzirajoče komponente napetosti in zadušitev šuma preklopnih konic. Visokofrekvenčni aluminijasti elektrolitski kondenzatorji imajo tudi večžilno obliko, to je, da je aluminijasta folija razdeljena na več krajših odsekov, več vodnikov pa je povezanih vzporedno, da se zmanjša komponenta impedance v kapacitivni reaktanci. In uporaba materialov z nizko upornostjo kot izhodnih sponk izboljša sposobnost kondenzatorja, da prenese velike tokove.
Za stabilno in zanesljivo delovanje digitalnih vezij mora biti napajanje »čisto«, dopolnjevanje energije pa mora biti pravočasno, to pomeni, da morata biti filtriranje in ločevanje dobro. Kar je filtriranje in ločevanje, preprosto povedano, je shranjevanje energije, ko čip ne potrebuje toka, in lahko dopolnim energijo pravočasno, ko potrebujete tok. Ne mi reci, da ta odgovornost ni za DCDC in LDO? Da, pri nizkih frekvencah to zmorejo, vendar so hitri digitalni sistemi drugačni.
Najprej si oglejmo kondenzator. Funkcija kondenzatorja je preprosto shranjevanje naboja. Vsi vemo, da je treba napajalniku dodati kondenzatorsko filtriranje in kondenzator {{0}}.1uF namestiti na napajalni zatič vsakega čipa za ločitev itd. Zakaj vidim, da je kondenzator poleg napajalnega zatiča nekaterih čipov plošč je 0.1uF ali 0,01uF Da, v čem je smisel? Da bi razumeli to resnico, moramo razumeti dejanske značilnosti kondenzatorjev. Idealen kondenzator je samo hranilnik naboja, in sicer C. Vendar pa dejansko izdelan kondenzator ni tako preprost. Pri analizi celovitosti napajalnika je na spodnji sliki prikazan model kondenzatorja, ki se običajno uporablja.
Na sliki je ESR zaporedni ekvivalentni upor kondenzatorja, ESL je zaporedni ekvivalent induktivnosti kondenzatorja, C pa pravi idealni kondenzator. ESR in ESL sta določena s proizvodnim postopkom in materiali kondenzatorja in ju ni mogoče odpraviti. Kakšen učinek imata ti dve stvari na vezje? ESR vpliva na valovanje napajalnika, ESL pa na frekvenčne značilnosti filtra kondenzatorja.
Vemo, da kapacitivna reaktanca Zc=1/ωC kondenzatorja, induktivna reaktanca Zl=ωL induktorja (ω=2πf) in kompleksna impedanca dejanskega kondenzatorja je Z=ESR plus jωL-1/jωC=ESR plus j2πf L-1/j2πf c. Vidimo lahko, da ko je frekvenca zelo nizka, kapacitivnost igra vlogo, in ko je frekvenca visoka do določene ravni, vloge induktivnosti ni mogoče prezreti, in ko je frekvenca višja, bo induktivnost igrala glavna vloga. Kondenzator izgubi svoj filtrirni učinek. Torej ne pozabite, ko je frekvenca visoka, kondenzator ni samo kondenzator.
Kot je navedeno zgoraj, je ekvivalentna serijska induktivnost kondenzatorja določena s proizvodnim postopkom in materialom kondenzatorja. ESL dejanskega keramičnega kondenzatorja na čipu se giblje od nekaj desetin nH do nekaj nH, manjši kot je paket, manjši je ESL.
Iz zgornje krivulje filtra kondenzatorja lahko tudi vidimo, da ni ploščat, je kot "V", kar pomeni, da ima frekvenčno selektivne značilnosti, in upamo, da je čim bolj ploščat ( predstopenjsko filtriranje na ravni plošče), včasih pa želite, da je čim bolj oster (filtriranje ali zarezovanje). Kar vpliva na to značilnost, je faktor kakovosti Q kondenzatorja, Q=1/ωCESR, večji ko je ESR, manjši je Q in bolj položna je krivulja. Nasprotno, manjši kot je ESR, večji je Q in ostrejša je krivulja. Običajno imajo tantalovi kondenzatorji in aluminijevi elektrolitiki razmeroma majhen ESL, vendar je ESR velik, zato imajo tantalovi kondenzatorji in aluminijevi elektrolitiki široko učinkovito frekvenčno območje, kar je zelo primerno za filter nivoja sprednje plošče. To pomeni, da se tantalov kondenzator velike zmogljivosti pogosto uporablja za filtriranje na vhodni stopnji DCDC ali LDO. In postavite nekaj kondenzatorjev 10uF in 0,1uF blizu čipa za ločitev, saj imajo keramični kondenzatorji zelo nizek ESR.
