電壓調整電路中的濾波電容應用分析

1、電壓調整電路中的濾波電容應用分析在消費類血子產(chǎn)品系統(tǒng)中,體枳越來越小,器件擺放越來越密.模擬、數(shù)字部分已很難通過布局有效分開,系統(tǒng)設計工程師往往在電源 網(wǎng)絡中使用很名電容,哀減周頻數(shù)字噪聲，期里能“凈化”電源，減少對模擬電路的干擾。在電壓調整器中,在輸入、輸出端通常都各有一只電容，跨按在輸入、輸出管腳和地(gnd)z間。輸入電祥的主要作用是濾除交流噪聲, 抑制輸入端的電壓變化。而輸出電容的作用，除了構成反饋環(huán)路的一部分之外(增加i個額外的零點，當然不可避免的也要帶來一個極點, 提高環(huán)路的相位裕最)，還可以抑制山于負載電流或者輸入電壓瞬變引起的輸出電壓變化c從某種角度來說，濾除交流噪聲與抑制電壓

2、突 變在木質上是一回事，那就是去除交流信號。電容的特性不同介質種類的電容，其自身特性和差甚遠。在描述電容的特性之前，我們需要了解以下兒個參數(shù)：電阻_符號r.足指通過導體的宜流電壓與電流z比，單位為歐姆。電抗一符號x.是交流電路中山電感和電容引起的阻抗部分，包括感抗(x和容抗(xc)，單位為歐姆°阻抗一符號乙 是一個復合參數(shù)，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。電導一符號g,是指通過導體的直流電流與電壓z比，電阻的倒數(shù)，單位為西門子。電納一符號b是導納的燥數(shù)部分，包括容納(be)和感納(b)單位為西門予。導納一符號丫，是阻抗z的倒數(shù)，也是一個復

3、合參數(shù)，實部為電導，虛部為電納，單位為西門子，也可以汲示為：y = g + jb導納丫通常表示的足器件并聯(lián)的悄況，而阻抗z表示的則是器件串聯(lián)的悄況，見圖1。其中.z = r+jx = ir2+x2y = g + jb = ylg2 +b2xl 二 2尬12tcr一 xc一 bel)f - 一 = tan 6 = c tan 6 = 0所以對于串聯(lián)的器件組合，如果e>odc,則說明器件兩端有感性，越接近90c,感性越強.當e=90cc時，為純感性器件。同樣e<o4c,則說明器件有容性，越接近-90-c,容性越強，當e=-90-c時，為純容性器件。常見的兒種類型的電容特點如表1所示，溫

4、度系數(shù)大; 強值退羞大;穩(wěn)定性高；3 溫度系數(shù)低;絕緣電阻大;q值大，d小2esr 小;a 體積?。悔囿w積大；3 價格偏高；“ 高溫特性差;鋰電容3wvw*價格低；a溫度系數(shù)小;耐壓低；a穩(wěn)定性高；卩價格高；卩 高頻特性好;鋁電解電容卩睿值太；卩價格便宜；"溫度系數(shù)大；3漏電流大；”高頻特性差；9表不同種類電容的優(yōu)缺點。現(xiàn)實中并沒有純電阻，也沒有純電容或電感，祁足這兒種理想器件的組合。實際的電解電容的等效電路可以表示如圖2所示。其中：ra- 介質吸收引起的電阻ca-介質吸收引起的電容.rle漏電引起的電阻，rl引線引起的電阻.ll一引線引起的電感。實際的藝層陶 瓷電容的等效電路則可以

5、如3表示，對于川作濾波作用的電容，當然不希望有esl.即使住商頻也保持良好的容性.即。等于或接近90 度。電容特性的實際測號因此.我們只需要測雖岀電容引線兩端的串聯(lián)電阻(rs).串聯(lián)址容(cs)、串聯(lián)電感(ls).阻抗(z)以及夾角在對應頻率下的值,即可以 較為全面地評估電容的特性。下面以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(shù)據(jù)。5ot/10uf 和5ov/2. 2ufqfreq (khz)*rs( a)cs(uf)*ls(mh)*z(c20(deg)*rs(q»cs (妙ls(g)*z(0r9 (

6、deg)«0. 24729.046門p175.96*-88.42792a2 226ap715.67*-89.35q0293 1428.932p89.08q-87.985. 70-12. 216qp359.4*-89.0"0.3p2.45548.869p59.85q87.65q4.77q2.202p240. 53-88.830.51.823q8. 783p36.28q-87.12p3722.193pp145. 26-88.52q021.448-8. 763p22.58-86.5卩2.86-'2.172&91.45丿-88.12l*31. 295卩8 740&q

7、uot;p18.23*>-85.93p252a2.17p4>73.43卩-88.02221.047卩8.635"4>9.咖-83.481. 752.14“p37.14*-87. 223q0.952。8.560；633"-81.1301.48<j2.132*324.9386 525卩0.810 卩8423.83，-7723卩1. 252j2.112p卩15.125*-85. 228門0. 785卩828卩2i2-71.371122.092卩9.577農(nóng)-83.29 卩10 a0 7738. 22255卩-66.921.0522.082 卩卩7. 72-

8、82.07720q0 742q7.9831.269-51.98q0. 741p2.04240o-76.33q畑0 7337. 83q&1.023-41.70.898<2.027a4>2tb、-70.妙50q0 7227.60qp0.855&-2930.863q2心p1.812-61.4280a0 712q739門p072-20.3q0821.972q4>1. 313-50.倍1000. 7127. 28207砂-1685心0.8321.957qp1.163-44. 3“200-0.6997. 27320. 7侏-8.820.808-1.925pp0.906j-

9、27.12q300e0.69317. 75pp0. 7知-5.妙0.79741.941p4>0.842-1895a500q0.687"12. 2834>0.69w202卩0.785p2. 114p4»0798，-10.妙900討0.674門-11.89*367nh0.672175卩0. 772卩3.04 2卩p0.773a-4.86<10000.662-3.8536.8nh«30.6妙4098，0. 765卩5. 55卩0. 763p-2.1"表2； rubycon yxf系列電解電容櫥試數(shù)據(jù)。從以上數(shù)據(jù)看出，50v/10uf電解電容，

10、當f>800k,失去容性，呈現(xiàn)冊感性。表3則是taiyo yuden貼片名層陶瓷電容16v/1uf. 16v/0.1uf 的測試數(shù)據(jù)。所以以上兩顆電容在1mhz頻率以內.郁保持較高得q值，呈現(xiàn)出良好得容性特征。ek316bj105kl-tek212bj1o4ed-tfreq (khz) rs (c ) cs(uf)<ls (mh) *z(q26 (deg)rs(q»cs (國.ls (哪)z(qm0 (deg)*30. 227.35*1.0775a1.486k*-88.98，225.12*107. 28*p14.89 咕-89. l6q0. 2心13.92q1.0729*

11、a745. 5q-88.92116. 2心106.98“p7.459k*-89.13門0. 3p9. 342*1.0697<p498 3a-88.96-78. 58p106.78<p4 98kp-89.12p0. 59566&1.0653-p300.2q-88.96p4742106.53p2.995咕-89.110.8q3.如1.0606,a188.43-88.96q30.13-106. 36<p1.875 咕-89.106-i*32. 75心1.056qq151. 26-88.98-24.05q106. 25p1. 501 咕-89.101-2q1. 29p1.04

12、2"p76.59q-89.0412. 3105.92<p752.9p-89.0863卩0.80p1.032p51.6。-89.12p823卩105.67.p503.08+-89.08q520.431.012p31.4-89. 21p498)105.p302.84*-89.028q0. 25卩1.004卩19.8689 223.11*3105.0。卩189.96”-89.08卩10*30.1%0.99215.98 門89 32q246a104.7q152. 37-89.09卩2090新0. 9848.05-89.421.17*31036>卩77.o5j-89.14330？5

13、8bp0 976542-89.5卩0.73102.6"p51. 53-89. 20350q韻,*0.97wp322-89. 320.38 門101. 2卩p3146門-89. 28卩80"24.6"0. 969訂q2.053-89.28。0 212100.11*p19.86&-89. 36門100q20.42 祁0.970*p1.643q-89.220.16399.6rp15.92-89. 39卩200q12,620. 983卩0 809j- 89.0q68. 7"982p&06-89.49300匚9.9521016門a0. 522q-8

14、8.78q39.1m-98.52p5. 383q-89. 56q500q9.3021.142a02妙-87.821&4*99.15qp3. 211p-89.62800q10, 58 葉1.644p0.122-84.27. 2*101. 54p1.959-89.75亠1000-112.822. 747pp00妙-77.3&4. 2衣103.9p1. 53q-89.79p表3：多層陶瓷電容測試數(shù)據(jù)（測試條件:vbias=ov. vaiovh電容的并聯(lián)效果既然實際的電容特性與理想電容有一定的差距，那么接在輸入、輸出瑞的濾波電容到底產(chǎn)生了什么樣的作用呢？有的應用手冊i:給出，便用兩顆電

15、容并聯(lián)到gnd. 一顆容值較大的電解電容，另一顆是容值較小的陶瓷電容，比ihc1 = 10uf, c2=0.1uf,為了研究并聯(lián)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。圖3：多層陶瓷電容的等效電路t=四vinrl + (】$丿i 2s丿從上式不難看出.系統(tǒng)包括兩個極點，兩個零點。zi =2 加?1c1z2r + ch/ r2 + 一i (乜s丿+人()27tr2c2,當滿足條件c1»c2. r1»r2時，極點可以表達成下式,pl2 療(7?o + /?1)c1p2 =2(/?0/?l)+/?2c2以上w 50v/10uf電

16、解電容,和16v/1uf陶瓷電容的數(shù)據(jù)作為依據(jù),對上述器件進行如下賦值,esr取口00khz的值。r0 = 1q, c1 =8.21uf, c2 = 0.997uf, r1 = 774mq, r2 = 190mq-圖 3 網(wǎng)絡的頻率特性如圖 4 所示, 從上圖看出，在緊接著笫一個極點p1之后,出現(xiàn)了第一個零點z仁它是由r仁c1形成的，如果沒有電容c2ac曲線將保持水平.不再有衰減。正是由于c2的存在.使得增益在通過第二個極點p2之后繼續(xù)衰減，直至第二個零點z2,因此耍便兩只電容并聯(lián)的増益 衰減更多，可以將z2外移，也就是使電容c2以及r2遠小于c仁r1n 這是假定電容c、esr在所有頻率下都是

17、定值的條件下，用mathcad計算出的理想曲線。實際上根據(jù)上表中的數(shù)據(jù)告訴我們,c、esr會隨著頻率而變化，而il在高頻時會出現(xiàn)esl,考慮到這些因素，得到的曲線如圖5所示。圖6是使用網(wǎng)絡分析儀(agilent 4395a)得到的實際頻響曲線。gan vs freqi 1(?ilf lidfreq(hz)i idphase vs freq100i 1(?freq(hz)圖5：兩只電容并聯(lián)的輻度相位頻率特性。-25-300.10 5 0 5 0 -1-1-2mp) uko10freque ncy (khz)1001000圖6：根據(jù)實淵數(shù)據(jù)計算出的頻率待性。在頻率小于100khz時，圖5與圖6兒乎

18、沒有差別.大約在f>700kh乙由于esl的作用,増益上翹。當滿足條件rxc仁r222時.根據(jù)上式系統(tǒng)可以簡化成一個極點，-個零點。現(xiàn)實屮滿足這種條件的有兩種情況，兩只電容c1、c2完全相同，意味君類型、容值、esr和頻率特性等一樣。!7：網(wǎng)絡分析測到的頻率特性°chi a/r log mag5 db/ ref 6 <jb-17.755 db容值與esr成反比，對于同一類型的電容，實際上也基木滿足這個規(guī)律。此時其零、極點變?yōu)榱泓c->(7?1/7?2)(c1/c2)r極點->1伙1 / 人 2) + /?() (cl / c2) s(re+/“)($實際上此時可

19、以等效成1個電容.它的容值為兩個電容的并聯(lián)ce = c1/c2, esr為兩個esr并聯(lián)re = r1/r2.三只電容并聯(lián)的情況如圖8所示，傳輸函數(shù)可以表示成outr2c21.0ufi丄c3 -t0.1uf圖8：三只電容并聯(lián)的交流等效電路。ai+ 1'/r2+ 1 j/(r3+1|k丿i丿i丿從上式不難看出，系統(tǒng)包括三個極點，三個零點。假定上述器件給出值如f，r0 = 1q. c1 = 10uf. c2 = 1uf. c3=0.1uf. r1 =2q. r2= 100mq. r3=50mq，網(wǎng)絡的頻率特性如圖9, 衰減是第一個極點p1開始.到最后一個零點z3結束。p1是由c仁ro+r1引起的，z3是由c3. r3引起的。同樣類似的情況,當滿足r1xc1 = r2xc2 = r3xc3時.仍可以等效成一只電容.其容值為三個電容的并聯(lián)ce = c1/c2/c3, esr為三個電阻并聯(lián)r