要點普及:電容應用於電源電路和信號電路的作用
發布時間:2016-11-08 責任編輯:sherry
【導讀】電容作為重要的無源元件,應用十分廣泛。本文將介紹電容應用於電源電路,實現旁路、去藕、濾波和儲能方麵電容的作用,以及電容應用於信號電路,完成耦合、振蕩/同步及時間常數的作用詳解。
作為無源元件之一的電容,其作用不外乎以下幾種:
1、應用於電源電路,實現旁路、去藕、濾波和儲能方麵電容的作用,下麵分類詳述之:
1)濾波
濾波是電容的作用中很重要的一部分。幾乎所有的電源電路中都會用到。從理論上(即假設電容為純電容)說,電容越大,阻抗越小,通過的頻率也越高。但實際上超過1uF的de電dian容rong大da多duo為wei電dian解jie電dian容rong,有you很hen大da的de電dian感gan成cheng份fen,所suo以yi頻pin率lv高gao後hou反fan而er阻zu抗kang會hui增zeng大da。有you時shi會hui看kan到dao有you一yi個ge電dian容rong量liang較jiao大da電dian解jie電dian容rong並bing聯lian了le一yi個ge小xiao電dian容rong,這zhe時shi大da電dian容rong通tong低di頻pin,小xiao電dian容rong通tong高gao頻pin。電dian容rong的de作zuo用yong就jiu是shi通tong高gao阻zu低di,通tong高gao頻pin阻zu低di頻pin。電dian容rong越yue大da低di頻pin越yue容rong易yi通tong過guo,電dian容rong越yue大da高gao頻pin越yue容rong易yi通tong過guo。具ju體ti用yong在zai濾lv波bo中zhong,大da電dian容rong(1000uF)濾低頻,小電容(20pF)濾高頻。
曾有網友將濾波電容 比作“水塘”。由(you)於(yu)電(dian)容(rong)的(de)兩(liang)端(duan)電(dian)壓(ya)不(bu)會(hui)突(tu)變(bian),由(you)此(ci)可(ke)知(zhi),信(xin)號(hao)頻(pin)率(lv)越(yue)高(gao)則(ze)衰(shuai)減(jian)越(yue)大(da),可(ke)很(hen)形(xing)象(xiang)的(de)說(shuo)電(dian)容(rong)像(xiang)個(ge)水(shui)塘(tang),不(bu)會(hui)因(yin)幾(ji)滴(di)水(shui)的(de)加(jia)入(ru)或(huo)蒸(zheng)發(fa)而(er)引(yin)起(qi)水(shui)量(liang)的(de)變(bian)化(hua)。 它把電壓的變動轉化為電流的變化,頻率越高,峰值電流就越大,從而緩衝了電壓。濾波就是充電,放電的過程。
2)旁路
旁pang路lu電dian容rong是shi為wei本ben地di器qi件jian提ti供gong能neng量liang的de儲chu能neng器qi件jian,它ta能neng使shi穩wen壓ya器qi的de輸shu出chu均jun勻yun化hua,降jiang低di負fu載zai需xu求qiu。就jiu像xiang小xiao型xing可ke充chong電dian電dian池chi一yi樣yang,旁pang路lu電dian容rong能neng夠gou被bei充chong電dian,並bing向xiang器qi件jian進jin行xing放fang 電(dian)。為(wei)盡(jin)量(liang)減(jian)少(shao)阻(zu)抗(kang),旁(pang)路(lu)電(dian)容(rong)要(yao)盡(jin)量(liang)靠(kao)近(jin)負(fu)載(zai)器(qi)件(jian)的(de)供(gong)電(dian)電(dian)源(yuan)管(guan)腳(jiao)和(he)地(di)管(guan)腳(jiao)。這(zhe)能(neng)夠(gou)很(hen)好(hao)地(di)防(fang)止(zhi)輸(shu)入(ru)值(zhi)過(guo)大(da)而(er)導(dao)致(zhi)的(de)地(di)電(dian)位(wei)抬(tai)高(gao)和(he)噪(zao)聲(sheng)。地(di)彈(dan)是(shi)地(di)連(lian)接(jie)處(chu)在(zai)通(tong)過(guo)大(da) 電流毛刺時的電壓降。
3)去藕
去藕,又稱解藕。從電路來說,總是可以區分為驅動的源和被驅動的負載。如果負載電容比較大,驅動電路要把電容充電、放電,才能完成信號的跳變,在上 升沿比較陡峭的時候,電流比較大,這樣驅動的電流就會吸收很大的電源電流,由於電路中的電感,電阻(特別是芯片管腳上的電感,會產生反彈),這種電流相對 於(yu)正(zheng)常(chang)情(qing)況(kuang)來(lai)說(shuo)實(shi)際(ji)上(shang)就(jiu)是(shi)一(yi)種(zhong)噪(zao)聲(sheng),會(hui)影(ying)響(xiang)前(qian)級(ji)的(de)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)。這(zhe)就(jiu)是(shi)耦(ou)合(he)。去(qu)藕(ou)電(dian)容(rong)就(jiu)是(shi)起(qi)到(dao)一(yi)個(ge)電(dian)池(chi)的(de)作(zuo)用(yong),滿(man)足(zu)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)電(dian)流(liu)的(de)變(bian)化(hua),避(bi)免(mian)相(xiang)互(hu)間(jian)的(de)耦(ou)合(he)幹(gan)擾(rao)。將(jiang)旁(pang)路(lu)電(dian)容(rong)和(he)去(qu)藕(ou)電(dian)容(rong)結(jie)合(he)起(qi)來(lai)將(jiang)更(geng)容(rong)易(yi)理(li)解(jie)。旁(pang)路(lu)電(dian)容(rong)實(shi)際(ji)也(ye)是(shi)去(qu)藕(ou)合(he)的(de),隻(zhi)是(shi)旁(pang)路(lu)電(dian)容(rong)一(yi)般(ban)是(shi)指(zhi)高(gao)頻(pin)旁(pang)路(lu),也(ye)就(jiu)是(shi)給(gei)高(gao)頻(pin)的(de)開(kai)關(guan)噪(zao)聲(sheng)提(ti)高(gao)一(yi)條(tiao)低(di)阻(zu)抗(kang)泄(xie)防(fang) 途徑。高頻旁路電容一般比較小,根據諧振頻率一般是0.1u,0.01u等,而去耦合電容一般比較大,是10uF或者更大,依據電路中分布參數,以及驅動 電(dian)流(liu)的(de)變(bian)化(hua)大(da)小(xiao)來(lai)確(que)定(ding)。旁(pang)路(lu)是(shi)把(ba)輸(shu)入(ru)信(xin)號(hao)中(zhong)的(de)幹(gan)擾(rao)作(zuo)為(wei)濾(lv)除(chu)對(dui)象(xiang),而(er)去(qu)耦(ou)是(shi)把(ba)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)的(de)幹(gan)擾(rao)作(zuo)為(wei)濾(lv)除(chu)對(dui)象(xiang),防(fang)止(zhi)幹(gan)擾(rao)信(xin)號(hao)返(fan)回(hui)電(dian)源(yuan)。這(zhe)應(ying)該(gai)是(shi)他(ta)們(men)的(de)本(ben)質(zhi)區(qu)別(bie)。
4)儲能
儲能型電容器通過整流器收集電荷,並將存儲的能量通過變換器引線傳送至電源的輸出端。電壓額定值為40~450VDC、電容值在220~150 000uF之間的鋁電解電容器是較為常用的。根據不同的電源要求,器件有時會采用串聯、並聯或其組合的形式, 對於功率級超過10KW的電源,通常采用體積較大的罐形螺旋端子電容器。

1)耦合
舉ju個ge例li子zi來lai講jiang,晶jing體ti管guan放fang大da器qi發fa射she極ji有you一yi個ge自zi給gei偏pian壓ya電dian阻zu,它ta同tong時shi又you使shi信xin號hao產chan生sheng壓ya降jiang反fan饋kui到dao輸shu入ru端duan形xing成cheng了le輸shu入ru輸shu出chu信xin號hao耦ou合he,這zhe個ge電dian阻zu就jiu是shi產chan生sheng了le耦ou合he的de元yuan件jian,如ru果guo在zai這zhe個ge電dian阻zu兩liang端duan並bing聯lian一yi個ge電dian容rong,由you於yu適shi當dang容rong量liang的de電dian容rong器qi對dui交jiao流liu信xin號hao較jiao小xiao的de阻zu抗kang,這zhe樣yang就jiu減jian小xiao了le電dian阻zu產chan生sheng的de耦ou合he效xiao應ying,故gu稱cheng此ci電dian容rong為wei去qu耦ou電dian容rong。
2)振蕩/同步
包括RC、LC振蕩器及晶體的負載電容都屬於這一範疇。
3)時間常數
這就是常見的 R、C 串聯構成的積分電路。當輸入信號電壓加在輸入端時,電容(C)上的電壓逐漸上升。而其充電電流則隨著電壓的上升而減小。電流通過電阻(R)、電容(C)的特性通過下麵的公式描述:
i = (V/R)e-(t/CR)
我們知道了電容的作用以後下麵來談談電容在使用中的注意事項
A. 什麼是好電容。
1.電容容量越大越好。
很多人在電容的替換中往往愛用大容量的電容。我們知道雖然電容越大,為IC提ti供gong的de電dian流liu補bu償chang的de能neng力li越yue強qiang。且qie不bu說shuo電dian容rong容rong量liang的de增zeng大da帶dai來lai的de體ti積ji變bian大da,增zeng加jia成cheng本ben的de同tong時shi還hai影ying響xiang空kong氣qi流liu動dong和he散san熱re。關guan鍵jian在zai於yu電dian容rong上shang存cun在zai寄ji生sheng電dian感gan,電dian容rong放fang電dian回hui路lu會hui在zai某mou個ge頻pin點dian上shang發fa生sheng諧xie振zhen。在zai諧xie振zhen點dian,電dian容rong的de阻zu抗kang小xiao。因yin此ci放fang電dian回hui路lu的de阻zu抗kang最zui小xiao,補bu充chong能neng量liang的de效xiao果guo也ye最zui好hao。但dan當dang頻pin率lv超chao過guo諧xie振zhen點dian時shi,放fang電dian回hui路lu的de阻zu抗kang開kai始shi增zeng加jia,電dian容rong提ti供gong電dian流liu能neng力li便bian開kai始shi下xia降jiang。電dian容rong的de容rong值zhi越yue大da,諧xie振zhen頻pin率lv越yue低di,電dian容rong能neng有you效xiao補bu償chang電dian流liu的de頻pin率lv範fan圍wei也ye越yue小xiao。從cong保bao證zheng電dian容rong提ti供gong高gao頻pin電dian流liu的de能neng力li的de角jiao度du來lai說shuo,電dian容rong越yue大da越yue好hao的de觀guan點dian是shi錯cuo誤wu的de,一yi般ban的de電dian路lu設she計ji中zhong都dou有you一yi個ge參can考kao值zhi的de。
2.同樣容量的電容,並聯越多的小電容越好
耐壓值、耐溫值、容值、ESR(等效電阻)等是電容的幾個重要參數,對於ESR自然是越低越好。ESR與電容的容量、頻率、電壓、溫度等都有關係。當電壓固定時候,容量越大,ESR越低。在板卡設計中采用多個小電容並連多是出與PCB空間的限製,這樣有的人就認為,越多的並聯小電阻,ESR越低,效果越好。理論上是如此,但是要考慮到電容接腳焊點的阻抗,采用多個小電容並聯,效果並不一定突出。
3.ESR越低,效果越好。
結合我們上麵的提高的供電電路來說,對於輸入電容來說,輸入電容的容量要大一點。相對容量的要求,對ESR的要求可以適當的降低。因為輸入電容主要是耐壓,其次是吸收MOSFET的開關脈衝。對於輸出電容來說,耐壓的要求和容量可以適當的降低一點。ESR的要求則高一點,因為這裏要保證的是足夠的電流通過量。但這裏要注意的是ESR並不是越低越好,低ESR電dian容rong會hui引yin起qi開kai關guan電dian路lu振zhen蕩dang。而er消xiao振zhen電dian路lu複fu雜za同tong時shi會hui導dao致zhi成cheng本ben的de增zeng加jia。板ban卡ka設she計ji中zhong,這zhe裏li一yi般ban有you一yi個ge參can考kao值zhi,此ci作zuo為wei元yuan件jian選xuan用yong參can數shu,避bi免mian消xiao振zhen電dian路lu而er導dao致zhi成cheng本ben的de增zeng加jia。
4.好電容代表著高品質。
“唯電容論”曾zeng經jing盛sheng極ji一yi時shi,一yi些xie廠chang商shang和he媒mei體ti也ye刻ke意yi的de把ba這zhe個ge事shi情qing做zuo成cheng一yi個ge賣mai點dian。在zai板ban卡ka設she計ji中zhong,電dian路lu設she計ji水shui平ping是shi關guan鍵jian。和he有you的de廠chang商shang可ke以yi用yong兩liang相xiang供gong電dian做zuo出chu比bi一yi些xie廠chang商shang采cai用yong四si相xiang供gong電dian更geng穩wen定ding的de產chan品pin一yi樣yang,一yi味wei的de采cai用yong高gao價jia電dian容rong,不bu一yi定ding能neng做zuo出chu好hao產chan品pin。衡heng量liang一yi個ge產chan品pin,一yi定ding要yao全quan方fang位wei多duo角jiao度du的de去qu考kao慮lv,切qie不bu可ke把ba電dian容rong的de作zuo用yong有you意yi無wu意yi的de誇kua大da。
B. 電容爆漿之麵麵談
爆漿的種類:分兩類,輸入電容爆漿和輸出電容爆漿。
對於輸入電容來說,就是我是說的C1,C1duiyoudianyuanjieshoudaodedianliujinxingguolv。shurudianrongbaojianghedianyuanshurudianliudepinzhiyouguan。guoduodemaocidianya,fengzhidianyaguogao,dianliubuwendingdengdoushidianrongguoyuchongfangdianguoyupinfan,changshijianchuyuzheleigongzuohuanjingxiadedianrong,neibuwendushenggaohenkuai。chaoguoxiebaokoudechengshoujixianjiuhuifashengbaojiang。
對於輸出電容來說,就我說的C2,duijingdianyuanmokuaitiaozhenghoudedianliujinxinglvbo。cichudianliujingguoyiciguolv,bijiaopingwen,fashengbaojiangdekenengxingxiangduilaishuoxiaolebushao。danruguohuanjingwenduguogao,dianrongtongyangrongyifashengbaojiang。bao,baoye。caiyonglajidongxiziranyaobao,baoyinga。yuzhiguoquyinzhe,jianqixianzaiguo;欲知未來果者,見其現在因。
電解電容爆漿的原因:
電容爆漿的原因有很多,比如電流大於允許的穩波電流、使用電壓超出工作電壓、逆向電壓、頻pin繁fan的de充chong放fang電dian等deng。但dan是shi最zui直zhi接jie的de原yuan因yin就jiu是shi高gao溫wen。我wo們men知zhi道dao電dian容rong有you一yi個ge重zhong要yao的de參can數shu就jiu是shi耐nai溫wen值zhi,指zhi的de就jiu是shi電dian容rong內nei部bu電dian解jie液ye的de沸fei點dian。當dang電dian容rong的de內nei部bu溫wen度du達da到dao電dian解jie液ye的de沸fei點dian時shi,電dian解jie液ye開kai始shi沸fei騰teng,電dian容rong內nei部bu的de壓ya力li升sheng高gao,當dang壓ya力li超chao過guo泄xie爆bao口kou的de承cheng受shou極ji限xian就jiu發fa生sheng了le爆bao漿jiang。所suo以yi說shuo溫wen度du是shi導dao致zhi電dian容rong爆bao漿jiang的de直zhi接jie原yuan因yin。電dian容rong設she計ji使shi用yong壽shou命ming大da約yue為wei2萬小時,受環境溫度的影響也很大。電容的使用壽命隨溫度的增加而減小,實驗證明環境溫度每升高10℃,電(dian)容(rong)的(de)壽(shou)命(ming)就(jiu)會(hui)減(jian)半(ban)。主(zhu)要(yao)原(yuan)因(yin)就(jiu)是(shi)溫(wen)度(du)加(jia)速(su)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)而(er)使(shi)介(jie)質(zhi)隨(sui)時(shi)間(jian)退(tui)化(hua)失(shi)效(xiao),這(zhe)樣(yang)電(dian)容(rong)壽(shou)命(ming)終(zhong)結(jie)。為(wei)了(le)保(bao)證(zheng)電(dian)容(rong)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing),電(dian)容(rong)在(zai)插(cha)板(ban)前(qian)要(yao)經(jing)過(guo)長(chang)時(shi)間(jian)的(de)高(gao)溫(wen)環(huan)境(jing)的(de)測(ce)試(shi)。即(ji)使(shi)是(shi)在(zai)100℃,高品質的電容也可以工作幾千個小時。同時,我們提到的電容的壽命是指電容在使用過程中,電容容量不會超過標準範圍變化的10%。電容壽命指的是電容容量的問題,而不是設計壽命到達之後就發生爆漿。隻是無法保證電容的設計的容量標準。
所(suo)以(yi),短(duan)時(shi)期(qi)內(nei),正(zheng)常(chang)使(shi)用(yong)的(de)板(ban)卡(ka)電(dian)容(rong)就(jiu)發(fa)生(sheng)爆(bao)漿(jiang)的(de)情(qing)況(kuang),這(zhe)就(jiu)是(shi)電(dian)容(rong)品(pin)質(zhi)問(wen)題(ti)。另(ling)外(wai),不(bu)正(zheng)常(chang)的(de)使(shi)用(yong)情(qing)況(kuang)也(ye)有(you)可(ke)能(neng)發(fa)生(sheng)電(dian)容(rong)爆(bao)漿(jiang)的(de)情(qing)況(kuang)。比(bi)如(ru)熱(re)插(cha)拔(ba)電(dian)腦(nao)配(pei)件(jian)也(ye)會(hui)導(dao)致(zhi)板(ban)卡(ka)局(ju)部(bu)電(dian)路(lu)電(dian)流(liu)、電壓的劇烈變化,從而引發電容使用故障。
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