Auswahl der besten Kondensatoren für die Stromversorgungsfilterung

Jede geregelte Stromversorgung muss so konzipiert sein, dass sie am Eingang und Ausgang zum Reglerbereich eine geringe Geräuschentwicklung aufweist. Die Reduzierung von Störgeräuschen hängt von der Auswahl des richtigen Filterkondensators für Ihre Versorgung ab. Je nach Stromstärke können diese Kondensatoren ziemlich groß sein, oder es kann notwendig sein, eine große Anzahl von Kondensatoren parallel zu schalten. Mit dem richtigen Kondensator (oder Kondensatorbank) können Sie die Spannungswelligkeit von Ihrem Gleichrichter dämpfen und gleichzeitig eine lange Lebensdauer sicherstellen.

Obwohl die meisten Themen, die „Filterkondensatoren“ betreffen, einfach auf den Ausgangskondensator eines Gleichrichters verweisen, kann dies auch den Kondensator am Ausgang eines Spannungsreglers bezeichnen. Ein Filterkondensator könnte sich auch auf Komponenten in einem EMI-Filter am Eingang einer Stromversorgung beziehen. Glücklicherweise gelten einige der gleichen Prinzipien, wenn es darum geht, die besten Kondensatoren für die Filterung der Stromversorgung auszuwählen. Schauen Sie sich unseren Leitfaden an, um zu sehen, wie Sie den für Ihre Stromversorgung benötigten Kondensator auswählen.

Was sind die besten Kondensatoren für die Filterung der Stromversorgung?

So sehr wir auch einfach auf DigiKey gehen und eine Seite für Filterkondensatoren aufrufen möchten, gibt es diesen Weg nicht. Die Wahrheit ist, dass verschiedene Kondensatoren für unterschiedliche Zwecke nützlich sind und die Spezifikationen in verschiedenen Kondensatoren deren geeignete Anwendung bestimmen. Offensichtlich müssen Sie den Kondensator auf den entsprechenden Wert dimensionieren, um die Ripple-Unterdrückung zu gewährleisten (größer ist besser), aber es geht über das einfache Berechnen der Kapazität hinaus.

Um mit der Auswahl der besten Kondensatoren für die Filterung der Stromversorgung zu beginnen, müssen Sie in ein Kondensatordatenblatt eintauchen und einige Spezifikationen durchgehen. Einige der wichtigen Spezifikationen sind wie folgt:

• Kondensatormaterial: Ihr Kondensator könnte aus Keramik, Elektrolyt, Tantal, Polyester oder einem anderen Material bestehen. Dies bestimmt den nutzbaren Kapazitätsbereich sowie andere Spezifikationen wie die Spannungsbewertung und Parasiten.

• Arbeitsspannungsbewertung: Dies gibt im Grunde die maximale Gleich- oder Wechselspannung (AC RMS) an, die an den Kondensator angelegt werden kann. Die angegebene Arbeitsspannung ist innerhalb eines bestimmten Betriebstemperaturbereichs gültig, der möglicherweise auf einem Diagramm dargestellt wird.

• Parasiten oder Eigenresonanzfrequenz: Diese Spezifikationen werden je nach Hersteller unterschiedlich angegeben. Der Hersteller könnte nur die ESR- und ESL-Werte angeben oder die ESL- und Q-Faktor-Werte, die zur Berechnung der selbstresonanten Frequenz und Bandbreite verwendet werden können. Alternativ wird das Impedanzspektrum in einem Diagramm gezeigt, das dann zur Berechnung der ESR- und ESL-Werte verwendet werden kann.

• Temperaturkoeffizient: Die meisten Entwickler machen sich darüber keine Sorgen, aber es wird wichtig, da sich die Kapazität eines realen Kondensators mit der Temperatur ändert. Daher sollten Sie einen Kondensator mit dem kleinsten Temperaturkoeffizienten wählen, wenn Ihr Produkt über einen breiten Temperaturbereich betrieben wird.

• Polarisierung: Filterkondensatoren für Gleichstromkreise haben eine bestimmte Polarisation, die die Richtung angibt, in die das elektrische Feld über den Kondensator zeigen sollte. Eine übermäßig große Wechselspannung über einem polarisierten Kondensator kann das Bauteil vorzeitig zerstören.

Diese Spezifikationspalette deckt alle relevanten Filteranwendungen ab, mit denen Sie arbeiten werden. Der Trick bei der Auswahl eines Gleichrichterausgangskondensators, EMI-Filterkondensators oder Ausgangskondensators eines Spannungsreglers besteht darin, den erforderlichen Kapazitätswert mit den anderen wichtigen Spezifikationen in Einklang zu bringen. Das Blockdiagramm zeigt einige Stellen, an denen Sie verschiedene Arten von Kondensatoren für Ihr Design auswählen müssen.

Die drei typischen Stellen zum Einsetzen eines Filterkondensators und der wichtige Parameter in jedem Fall sind oben gezeigt.

Gleichrichterausgangsfilterung

Hier ist der wichtige Punkt, den es zu berücksichtigen gilt, der Kapazitätswert und der ESR-Wert. Diese Werte sind aus zwei Gründen wichtig. Erstens muss der Kondensator so dimensioniert sein, dass die Ripple-Spannung während einer Halbperiode der Leitungsoszillation minimiert wird. Um den Kondensator zu dimensionieren, den Sie benötigen, verwenden Sie einfach die unten gezeigte Formel:

Kondensatorwert erforderlich, um den Spitze-Spitze-Ripple auf einem bestimmten Wert zu halten.

Hier bezieht sich der aktuelle Begriff auf den Strom, der vom Kondensator geliefert werden muss, wenn der Gleichrichterstrom und der Spannungsabfall während der Gleichrichtung sinken. Für einen gegebenen Strom wählt man einfach die gewünschte Spannungsrippel (als Änderung der Größe) aus, um den erforderlichen Kondensatorwert zu berechnen. Theoretisch würde eine unendliche Kapazität null Ripple erzeugen.

Der ESR-Wert ist ein Parasitärer, der bestimmt, wie schnell die Leiter im Kondensator sich erwärmen, wenn die Komponente lädt und entlädt. ESR definiert auch die kleinste Zeitspanne, über die der Kondensator entladen kann. Für ein System, das an das Stromnetz angeschlossen ist, arbeiten Sie mit 50 oder 60 Hz, sodass Sie sich keine Gedanken über die Entladezeit machen müssen. Der Filterkondensator sollte mit einem niedrigen ESR-Wert ausgewählt werden, während er auch eine hohe Kapazität bietet; Keramiken sind hier eine gute Wahl, da sie tendenziell einen sehr niedrigen ESR haben.

EMI-Filterung

Beim Entwerfen eines EMI-Filters ist der wichtige Punkt die Topologie des Schaltkreises und der genaue Kapazitätswert. Die Selbstresonanz ist auch hier wichtig, denn wenn das System über der Selbstresonanzfrequenz eines Kondensators arbeitet, wird ein Kondensator „handeln“, als hätte er einen anderen Wert. Darüber hinaus werden andere reaktive Komponenten (z.B. Induktoren, Drosseln oder Ferrite) mit dem Kondensator interagieren, um komplizierte gekoppelte Schwingungen zu erzeugen. Stellen Sie sicher, dass Sie Ihr Design mit Simulationen validieren, um die richtige Kapazität für die Filterung zu bestimmen.

Das Hauptziel bei der EMI-Filterung an einer Stromversorgungsleitung ist die Auslöschung von Common-Mode- und Differential-Mode-Rauschen. Ich verwende immer unpolarisierte Kondensatoren für EMI-Filter, die an Wechselstromleitungen angeschlossen sind, und ich empfehle anderen Designern, dasselbe zu tun. Solange die Selbstresonanzfrequenzen aller Kondensatoren ausreichend groß für die Rauschbandbreite sind, die Sie interessiert, müssen Sie sich nicht so viele Sorgen machen.

Regulatorausgang

Wenn er am Ausgang eines Regulators (z.B. Schaltregler oder LDO) platziert wird, spielt der Kondensator eine Doppelrolle. Erstens ist seine Rolle, während des Schaltens zu laden und zu entladen, um die DC-Ausgabe stabil zu halten. Zweitens ist seine Rolle, hochfrequentes geleitetes EMI zurück zur Erde zu leiten. Polarisierte oder unpolarisierte Kondensatoren können für diese Anwendung verwendet werden, solange die Selbstresonanzfrequenz ausreichend hoch ist.

Im Falle eines Schaltreglers wird das PWM-Signal im Regler Harmonische erzeugen, die sich bis in den Bereich von 100 MHz erstrecken, die dann als abgestrahltes EMI und geleitetes EMI am Ausgang erscheinen. Dieses EMI kann durch Hinzufügen einer kleinen Menge Dämpfung im Schaltkreis reduziert werden, wie mit einem Ferrit am Ausgang des Schalt-MOSFET im Regler. Die Herausforderung hier ist, einen Kondensator mit einer ausreichend hohen Selbstresonanzfrequenz zu verwenden, möglicherweise mit höherem ESR, wenn der Strom niedrig genug ist. Wenn der Ausgangsstrom groß ist, dann wählen Sie ein Ferrit oder eine Induktivität, um mehr Dämpfung in die Selbstresonanz einzuführen.

Wie Dämpfung die Selbstresonanz beeinflusst. Links erhöht das Hinzufügen von Dämpfung in das System die Impedanz des Kondensators bei Resonanz. Die Auswirkungen auf abgestrahlte EMI in einem Schaltwandler (Selbstresonanz des Ausgangskondensators = 146 MHz) werden rechts gezeigt.

Ein weiterer wichtiger Einsatz von Kondensatoren außerhalb des Designs von Stromversorgungen ist für Impedanzanpassungsnetzwerke in Hochfrequenz-/Hochgeschwindigkeitsschaltungen. Allerdings ist die Verwendung einer reaktiven Komponente wie eines Kondensators für die Impedanzanpassung eher bei Antennen als bei Hochgeschwindigkeits-Treiber/Empfänger-Paaren üblich. Dieser Aspekt der Kondensatornutzung ist etwas spezialisierter, und ich werde dies wahrscheinlich in einem zukünftigen Artikel ansprechen.

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