讀懂這些參數,選擇合適的電容

2020-06-19 14:52:45 admin 3291

【電容的選擇】

通常,應該如何為我們的電路選擇一顆合適的電容呢?小編認為,應基於以下幾點考慮:

1)靜電容量;

2)額定耐壓;

3)容值誤差;

4)直流偏壓下的電容變化量;

5)雜訊等級;

6)電容的類型;

7)電容的規格。 

 

那麼,是否有捷徑可尋呢?其實,電容作為器件的週邊元件,幾乎每個器件的 Datasheet 或者 Solutions,都比較明確地指明了週邊元件的選擇參數,也就是說,據此可以獲得基本的器件選擇要求,然後再進一步完善細化之。

 

鋁電解電容,電容容量範圍為 0.1µF ~ 22000µF,高脈動電流、長壽命、大容量的不二之選,廣泛應用於電源濾波、解藕等場合。

 

可以肯定,ESR 是衡量一個電容特性的主要參數之一。但是,選擇電容,應避免 ESR 越低越好,品質越高越好等誤區。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誇大。

 

普通電解電容的結構是陽極和陰極和電解質,陽極是鈍化鋁,陰極是純鋁,所以關鍵是在陽極和電解質。陽極的好壞關係著耐壓電介係數等問題。

 

【電容的等效串聯電阻 ESR】

普遍的觀點是:一個等效串聯電阻(ESR)很小的相對較大容量的外部電容能很好地吸收快速轉換時的峰值(紋波)電流。但是,有時這樣的選擇容易引起穩壓器(特別是線性穩壓器 LDO)的不穩定,所以必須合理選擇小容量和大容量電容的容值。永遠記住,穩壓器就是一個放大器,放大器可能出現的各種情況 它都會出現。

 

由於 DC/DC 轉換器的回應速度相對較慢,輸出去耦電容在負載階躍的初始階段起主導的作用,因此需要額外大容量的電容來減緩相對於 DC/DC 轉換器的快速轉換,同時用高頻電容減緩相對於大電容的快速變換。通常,大容量電容的等效串聯電阻應該選擇為合適的值,以便使輸出電壓的峰值和毛刺在器件的 Dasheet 規定之內。

 

高頻轉換中,小容量電容在 0.01µF 到 0.1µF 量級就能很好滿足要求。表貼陶瓷電容或者多層陶瓷電容(MLCC)具有更小的 ESR。另外,在這些容值下,它們的體積和 BOM 成本都比較合理。如果局部低頻去耦不充分,則從低頻向高頻轉換時將引起輸入電壓降低。電壓下降過程可能持續數毫秒,時間長短主要取決於穩壓器調節增益和提供較大負載電流的時間。

 

用 ESR 大的電容並聯比用 ESR 恰好那麼低的單個電容當然更具成本效益。然而,這需要你在 PCB 面積、器件數目與成本之間尋求折衷。

 

【電解電容的電參數】

這裏的電解電容器主要指鋁電解電容器,其基本的電參數包括下列五點:

1)電容值

電解電容器的容值,取決於在交流電壓下工作時所呈現的阻抗。因此容值,也就是交流電容值,隨著工作頻率、電壓以及測量方法的變化而變化。在標準 JISC 5102 規定:鋁電解電容的電容量的測量條件是在頻率為 120Hz,最大交流電壓為 0.5Vrms,DC bias 電壓為 1.5 ~ 2.0V 的條件下進行。可以斷言,鋁電解電容器的容量隨頻率的增加而減小。

 

2)損耗角正切值 Tan δ

在電容器的等效電路中,串聯等效電阻 ESR 同容抗 1/ωC 之比稱之為 Tan δ, 這裏的 ESR 是在 120Hz 下計算獲得的值。顯然,Tan δ 隨著測量頻率的增加而變大,隨測量溫度的下降而增大。

 

3)阻抗 Z

在特定的頻率下,阻礙交流電流通過的電阻即為所謂的阻抗(Z)。它與電容等效電路中的電容值、電感值密切相關,且與 ESR 也有關系。

Z = √ [ESR2 + (XL - XC)2 ]

式中,XC = 1 / ωC = 1 / 2πfC

XL = ωL = 2πfL

電容的容抗(XC)在低頻率範圍內隨著頻率的增加逐步減小,頻率繼續增加達到中頻範圍時電抗(XL)降至 ESR 的值。當頻率達到高頻範圍時感抗(XL)變為主導,所以阻抗是隨著頻率的增加而增加。

 

4)漏電流

電容器的介質對直流電流具有很大的阻礙作用。然而,由於鋁氧化膜介質上浸有電解液,在施加電壓時,重新形成的以及修復氧化膜的時候會產生一種很小的稱之為漏電流的電流。通常,漏電流會隨著溫度和電壓的升高而增大。

 

5)紋波電流和紋波電壓

在一些資料中將此二者稱做“漣波電流”和“漣波電壓”,其實就是 ripple current,ripple voltage。含義即為電容器所能耐受紋波電流/電壓值。它們和 ESR 之間的關係密切,可以用下麵的式子表示:

Urms = Irms × R

式中,Vrms 表示紋波電壓

Irms 表示紋波電流

R 表示電容的 ESR

 

由上可見,當紋波電流增大的時候,即使在 ESR 保持不變的情況下,漣波電壓也會成倍提高。換言之,當紋波電壓增大時,紋波電流也隨之增大,這也是要求電容具備更低 ESR 值的原因。疊加入紋波電流後,由於電容內部的等效串連電阻(ESR)引起發熱,從而影響到電容器的使用壽命。一般的,紋波電流與頻率成正比,因此低頻時紋波電流也比較低。