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電容的選型技巧和應(yīng)用趨勢(shì)

發(fā)布時(shí)間:2012-02-22 來(lái)源:CNT Networks

中心議題:

  • 電源濾波電容的選擇
  • 電機(jī)驅(qū)動(dòng)濾波電容的選擇
  • 運(yùn)放電路中的電容選擇
  • 電容器的應(yīng)用趨勢(shì)

 

2011年,我國(guó)提供了全球近三分之一的無(wú)源元件。中國(guó)電子元器件行業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)顯示,中國(guó)2011年電容器銷售總額達(dá)67億美元,比2010年增長(zhǎng)了5%。以電阻、電感、電容等為代表的被動(dòng)元件從2011年以來(lái)已經(jīng)開(kāi)始穩(wěn)中有升,平板電腦為代表的消費(fèi)電子,以及受各種利好政策的積極影響的白色家電、汽車電子、手持設(shè)備等市場(chǎng)對(duì)被動(dòng)元件需求增加,電阻、電容等市場(chǎng)的前景可以說(shuō)十分樂(lè)觀。本期半月談將聚焦電容在不同場(chǎng)合的選型和應(yīng)用,同時(shí)展望電容在應(yīng)用市場(chǎng)上呈現(xiàn)的趨勢(shì)。

電容有很多種命名方法,按照功能分,包括旁路電容,去耦電容,濾波電容;按照介質(zhì)又可分為瓷介、薄膜介質(zhì)(含多種薄膜)、鋁電解電容器……不過(guò)無(wú)論是哪種電容,它的原理都是一樣的,即利用對(duì)交流信號(hào)呈現(xiàn)低阻抗的特性——工作頻率越高,電容值越大則電容的阻抗越小。在電路中,如果電容起的主要作用是給交流信號(hào)提供低阻抗的通路,就稱為旁路電容;如果主要是為了增加電源和地的交流耦合,減少交流信號(hào)對(duì)電源的影響,就可以稱為去耦電容;如果用于濾波電路中,那么又可以稱為濾波電容;除此以外,對(duì)于直流電壓,電容器還可作為電路儲(chǔ)能,利用充放電起到電池的作用。

正因?yàn)殡娙輳V泛的應(yīng)用,如何選擇適合和電容器就成了許多工程師關(guān)注的話題。

電源濾波電容的選擇

電容的阻抗與頻率成反比,所以電容可以阻擋低頻通過(guò)。電感正相反——所以二者適當(dāng)組合,就可過(guò)濾各種頻率信號(hào)。如在整流電路中,將電容并在負(fù)載上或?qū)㈦姼写?lián)在負(fù)載上,可濾去交流紋波。

由于電解電容的作用是過(guò)濾掉電流中的低頻信號(hào),但即使是低頻信號(hào),其頻率也分為了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此為了適合在不同頻率下使用,電解電容也分為高頻電容和低頻電容(這里的高頻是相對(duì)而言)。

低頻濾波電容主要用于市電濾波或變壓器整流后的濾波,其工作頻率與市電一致為50Hz;而高頻濾波電容主要工作在開(kāi)關(guān)電源整流后的濾波,其工作頻率為幾千Hz到幾萬(wàn)Hz。當(dāng)我們將低頻濾波電容用于高頻電路時(shí),由于低頻濾波電容高頻特性不好,它在高頻充放電時(shí)內(nèi)阻較大,等效電感較高。因此在使用中會(huì)因電解液的頻繁極化而產(chǎn)生較大的熱量。而較高的溫度將使電容內(nèi)部的電解液氣化,電容內(nèi)壓力升高,最終導(dǎo)致電容的鼓包和爆裂。

電源濾波電容的大小,平時(shí)做設(shè)計(jì),前級(jí)用4.7u,用于濾低頻,二級(jí)用0.1u,用于濾高頻,4.7uF的電容作用是減小輸出脈動(dòng)和低頻干擾,0.1uF的電容應(yīng)該是減小由于負(fù)載電流瞬時(shí)變化引起的高頻干擾。一般前面那個(gè)越大越好,兩個(gè)電容值相差大概100倍左右。電源濾波,開(kāi)關(guān)電源,要看你的ESR(電容的等效串聯(lián)電阻)有多大,而高頻電容的選擇最好在其自諧振頻率上。大電容是防止浪涌,機(jī)理就好比大水庫(kù)防洪能力更強(qiáng)一樣;小電容濾高頻干擾,任何器件都可以等效成一個(gè)電阻、電感、電容的串并聯(lián)電路,也就有了自諧振,只有在這個(gè)自諧振頻率上,等效電阻最小,所以濾波最好。

電容的等效模型為一電感L,一電阻R和電容C的串聯(lián)(下圖),電感L為電容引線所至,電阻R代表電容的有功功率損耗。因而可等效為串聯(lián)LC回路求其諧振頻率,串聯(lián)諧振的條件為WL=1/WC,W=2*PI*f,從而得到此式子f = 1/(2pi* LC),串聯(lián)LC回路中心頻率處電抗最小表現(xiàn)為純電阻,所以中心頻率處起到濾波效果.引線電感的大小因其粗細(xì)長(zhǎng)短而不同,接地電容的電感一般是1MM為 10nH左右,取決于需要接地的頻率。

采用電容濾波設(shè)計(jì)需要考慮參數(shù)ESR、ESL、耐壓值和諧振頻率。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)濾波電容的選擇

電路中濾波電容的選型需要考慮幾個(gè)方面:電容耐壓、工作溫度、容量等。理論上說(shuō)電源濾波用電容越大越好,一般大電容濾低頻波,小電容濾高頻波。為了獲得更大的濾波頻段,可以將一大一小兩個(gè)電容并聯(lián),一般要求相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。在電源設(shè)計(jì)中,濾波電容的選取原則是C≥2.5T/R,在實(shí)際的應(yīng)用中一般都選取C≥5T/R。

以電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的濾波電容為例,輸入濾波電容容量的選擇和驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓、最大功率有直接關(guān)系,需要作一些計(jì)算得到如果此電容容量過(guò)少,驅(qū)動(dòng)器表現(xiàn)為驅(qū)動(dòng)力不足;而容量過(guò)大,則增加制造成本。工程應(yīng)用中,有這樣的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則:濾波電容容量數(shù)值等于驅(qū)動(dòng)功率數(shù)值。但需要注意,這只是針對(duì)單相220V交流電全波整流的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。

首先,從電容、電阻的RC時(shí)間常數(shù)τ說(shuō)起:τ越大,則R兩端的電壓越平穩(wěn),對(duì)于脈動(dòng)電源,則其紋波電壓越少。在工程上,當(dāng)RC時(shí)間常數(shù)滿足以下條件時(shí),可以滿足紋波要求。T為脈動(dòng)電源的周期,對(duì)于50Hz市電經(jīng)全波整流后的周期T為:10mS。

故由上兩式可以得; R為等效負(fù)載電阻; C為濾波電容容量。所以,只要得到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的等效負(fù)載電阻,即可算出濾波電容所需的容量大小。
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運(yùn)放電路中的電容選擇

電容器在實(shí)際使用時(shí)可能是不理想的,考慮到尺寸和成本,大多數(shù)實(shí)用的、大數(shù)值的電容都是電解型的,可見(jiàn),這樣的電容特別適用于濾除低頻噪聲:
Z=RC+jωLC+1/jωC。

當(dāng)頻率增加時(shí),電解電容的容抗將降低,直到感抗等于容抗為止,取決于所用的電解電容的確切型號(hào),它可能出現(xiàn)在大約1MHz的頻率處。對(duì)于高頻旁路,要求選用不同型號(hào)的電容,通常是推薦一種廉價(jià)的、小型陶瓷電容(0.01~0.1μF)。在1 MHz處,0.1μF電容的容抗是1.6Ω,但是應(yīng)注意,廉價(jià)的陶瓷電容多半不都只是 “容”性的。

陶瓷電容有很多功用,優(yōu)良NPO(負(fù)-正-零溫度系數(shù))器件有±30p pm/℃的溫度系數(shù),并且相對(duì)較便宜。但是陶瓷電容不是靈丹妙藥,取決于用作結(jié)構(gòu)材料的陶瓷介質(zhì)成分,它們有0.1%到1%,甚至更多的介質(zhì)吸收(D.A.)作用。介質(zhì)吸收其實(shí)就是,當(dāng)快速充電和放電時(shí),吸入到介質(zhì)內(nèi)的電荷不能馬上加到電容上或從電容上離開(kāi)。這種效應(yīng)在有很多通道的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)中是有害的。在轉(zhuǎn)換以前,這些通道里都有由采樣-保持電路采集的各種各樣的數(shù)據(jù),在 最大階躍的最壞情形中,由保持電容的介質(zhì)吸收引起的誤差,等于介質(zhì)吸收能力 。

由于正在測(cè)量的電壓和以前測(cè)量的電壓之間的差值決定了介質(zhì)吸收指數(shù)所要乘的系數(shù),所以對(duì)這個(gè)誤差源做快速校正是不可能的。唯一的解決辦法是使用一個(gè)介質(zhì)吸收低于最大可允許誤差的電容器。

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電容器的應(yīng)用趨勢(shì)

電容經(jīng)過(guò)發(fā)展,目前體現(xiàn)出了以下趨勢(shì):片式多層瓷介電容器占主要比例,鉭電解電容器急劇增長(zhǎng),鋁電解電容器和薄膜介質(zhì)電容器所占比例下降,可變和微調(diào)電容器量在下降,云母、紙介和一些有機(jī)薄膜介質(zhì)、管狀瓷介等面臨淘汰;高頻特性及耐溫不易解決和卷繞式結(jié)構(gòu)的電容器下降幅度大……而在應(yīng)用方面,由于無(wú)線通信的不斷發(fā)展,3G、4G對(duì)電容器產(chǎn)品提出了更高的要求;醫(yī)療電子也邁向小型化和便攜化,讓電容器在醫(yī)療電子抗干擾、穩(wěn)壓等等方面迎來(lái)了新的發(fā)展……

小型化加速多層陶瓷電容發(fā)展。移動(dòng)電話、計(jì)算機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、汽車等領(lǐng)域大量使用多層陶瓷電容,但近年來(lái)數(shù)字產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步對(duì)陶瓷電容提出了新要求。例如,移動(dòng)電話的迅猛發(fā)展要求更高的傳輸速率和更高的性能。在基帶中,為了滿足TV、視頻、游戲的要求,需要高速度、低電壓的處理器;LCD模塊要求低厚度(0.5mm)、大容量電容;PA模塊則期待小型化的產(chǎn)品。自2011開(kāi)始,高端機(jī)頂盒(STB)、高清電視和汽車電子產(chǎn)品正在成為電容器生產(chǎn)線的主要驅(qū)動(dòng)力。手機(jī)、無(wú)線網(wǎng)卡和SD卡等小型設(shè)備將刺激多層陶瓷電容器(MLCC)的增長(zhǎng),進(jìn)一步推動(dòng)小型化趨勢(shì)。

新能源汽車、光伏、LED照明等節(jié)能領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展推動(dòng)電容的廣泛應(yīng)用。電動(dòng)汽車、風(fēng)力、太陽(yáng)能發(fā)電推動(dòng)了阻容的使用。風(fēng)能發(fā)電電源管理系統(tǒng)的時(shí)候,選型時(shí)主要考慮高電壓、大容值的電容器,產(chǎn)生很大的產(chǎn)品需求。比如風(fēng)能產(chǎn)品系統(tǒng),有三處運(yùn)用電容器到這個(gè)產(chǎn)品中,第一個(gè)可以選用薄膜電容器做高電壓吸收的應(yīng)用;還有一個(gè)是DC- LINK,DC-DC轉(zhuǎn)換過(guò)程中,起濾波儲(chǔ)能的作用;還有并網(wǎng)的時(shí)候還有抗干擾的電容。

以鋁電解電容為例,在換混合動(dòng)力、電動(dòng)汽車的電池充電、電壓轉(zhuǎn)換、逆變器等電路中,對(duì)鋁電解電容的需求越來(lái)越高,而鋁電解電容也是風(fēng)電、光伏應(yīng)用中逆變、變壓模塊不可或缺的部分,到2015年市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到55億元。

LED照明方案中,對(duì)LED燈的使用壽命影響最大的器件就是去耦電容器。雖然無(wú)電解電容的LED照明方案也已經(jīng)推出,但是如果不采用電解電容,LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)會(huì)變得非常昂貴。在低功率水平上,通過(guò)用陶瓷電容取代電解電容可以解決這一問(wèn)題,而在高品質(zhì)光源燈具上,電解電容是難以去除的。在高品質(zhì)光源燈具上,電解電容是難以去除的。事實(shí)上,如果電解電容質(zhì)量很好,可以達(dá)到105攝氏度的工作溫度和10000小時(shí)額定工作時(shí)間,就沒(méi)有必要將電解電容從LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中去除。

當(dāng)然,各個(gè)廠商也在積極展示自己在節(jié)能領(lǐng)域的實(shí)力。TDK-EPC曾在亞洲風(fēng)能大會(huì)暨國(guó)際風(fēng)能設(shè)備展覽會(huì)上展出了其用于風(fēng)能和太陽(yáng)能的最重要的創(chuàng)新元件產(chǎn)品系列和解決方案包括愛(ài)普科斯(EPCOS)電力電容器,鋁電解電容器以及EMC濾波器和壓敏電阻。此外,村田、太陽(yáng)誘電等領(lǐng)先的阻容元件廠商都在積極地投身了節(jié)能應(yīng)用。

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