Sélectionner les meilleurs condensateurs pour le filtrage de l'alimentation électrique

Toute alimentation régulée doit être conçue pour avoir un faible bruit en entrée et en sortie de la section régulateur. Réduire le bruit dépend du choix du bon condensateur de filtrage pour votre alimentation. Selon le courant, ces condensateurs peuvent être assez grands, ou vous pourriez avoir besoin de placer un grand nombre de condensateurs en parallèle. Avec le bon condensateur (ou banque de condensateurs), vous serez en mesure d'atténuer l'ondulation de tension de votre redresseur tout en assurant une longue durée de vie.

Bien que la plupart des sujets impliquant les « condensateurs de filtrage » se réfèrent simplement au condensateur de sortie sur un redresseur, cela peut également se référer au condensateur sur la sortie d'un régulateur de tension. Un condensateur de filtrage pourrait également se référer aux composants utilisés dans un filtre EMI à l'entrée d'une alimentation. Heureusement, certains des mêmes principes s'appliquent lors de la sélection des meilleurs condensateurs pour le filtrage de l'alimentation. Jetez un œil à notre guide pour voir comment sélectionner le condensateur d'alimentation dont vous avez besoin.

Quels sont les meilleurs condensateurs pour le filtrage de l'alimentation ?

Aussi tentant que cela puisse être de simplement aller sur DigiKey et de chercher une page pour les condensateurs de filtrage, cette option n'existe pas. La vérité est que différents condensateurs sont utiles pour différents objectifs, et les spécifications dans divers condensateurs déterminent son application appropriée. Évidemment, vous devrez dimensionner le condensateur à la valeur appropriée pour fournir une suppression de l'ondulation (plus grand est mieux), mais cela va au-delà de simplement calculer la capacité.

Pour commencer à sélectionner les meilleurs condensateurs pour le filtrage de l'alimentation, vous devez entrer dans une fiche technique de condensateur et parcourir certaines spécifications. Voici quelques-unes des spécifications importantes :

• Matériau du condensateur : Votre condensateur peut être en céramique, électrolytique, tantale, polyester ou autre matériau. Cela détermine la plage de capacité utile, ainsi que d'autres spécifications comme la tension nominale et les parasitiques.

• Tension de travail nominale : Cela vous indique essentiellement la tension maximale en courant continu ou en tension efficace en courant alternatif qui peut être appliquée au condensateur. La tension de travail spécifiée est valide dans une certaine plage de température de fonctionnement, qui peut être affichée sur un graphique.

• Parasites ou fréquence de résonance propre : Ces spécifications sont énoncées de différentes manières, selon le fabricant. Le fabricant peut seulement indiquer les valeurs de ESR et ESL, ou les valeurs de ESL et de facteur Q, qui peuvent être utilisées pour calculer la fréquence de résonance propre et la bande passante. Alternativement, le spectre d'impédance sera montré dans un graphique, qui peut alors être utilisé pour calculer les valeurs de ESR et ESL.

• Coefficient de température : La plupart des concepteurs ne s'en préoccupent pas, mais cela devient important car la capacité d'un condensateur réel changera avec la température. Par conséquent, vous devriez choisir un condensateur avec le plus petit coefficient de température si votre produit doit fonctionner sur une large plage de température.

• Polarisation : Les condensateurs de filtrage pour les circuits en courant continu ont une polarisation spécifiée, qui indique la direction que le champ électrique doit pointer à travers le condensateur. Une tension alternative excessivement grande à travers un condensateur polarisé peut détruire le composant prématurément.

Cette gamme de spécifications couvrira toutes les applications de filtrage pertinentes avec lesquelles vous travaillerez. L'astuce pour sélectionner un condensateur de sortie de redresseur, un condensateur de filtre EMI, ou un condensateur de sortie de régulateur de puissance est d'équilibrer la valeur de capacité requise avec les autres spécifications importantes. Le schéma de bloc montre quelques endroits où vous devrez sélectionner différents types de condensateurs pour votre conception.

Les trois emplacements typiques pour placer un condensateur de filtrage et le paramètre important dans chaque cas sont montrés ci-dessus.

Filtrage de sortie de redresseur

Ici, le point important à considérer est la valeur de capacité et la valeur de ESR. Ces valeurs sont importantes pour deux raisons. Premièrement, le condensateur doit être dimensionné de telle sorte que la tension de ripple soit minimisée pendant une demi-période de l'oscillation de ligne. Pour dimensionner le condensateur dont vous avez besoin, utilisez simplement la formule ci-dessous :

Valeur du condensateur requise pour maintenir la tension de ripple crête à crête à une valeur spécifique.

Ici, le terme courant fait référence au courant qui doit être fourni par le condensateur lorsque le courant et la chute de tension du redresseur se produisent pendant la rectification. Pour un courant donné, il suffit de sélectionner l'ondulation de tension désirée (comme un changement d'amplitude) pour calculer la valeur de condensateur requise. Théoriquement, une capacitance infinie produirait une ondulation nulle.

La valeur ESR est un parasite qui détermine la vitesse à laquelle les conducteurs dans le condensateur vont chauffer à mesure que le composant se charge et se décharge. L'ESR définit également la plus petite quantité de temps pendant laquelle le condensateur peut se décharger. Pour un système connecté au réseau électrique, vous travaillerez à 50 ou 60 Hz, donc vous n'aurez pas à vous soucier du temps de décharge. Le condensateur de filtrage doit être choisi avec une faible valeur d'ESR tout en offrant une haute capacitance ; les céramiques sont un bon choix ici car elles ont tendance à avoir un ESR très bas.

Filtrage EMI

Lors de la conception d'un filtre EMI, le point important est la topologie du circuit et la valeur exacte de la capacitance. La résonance propre est également importante ici car, si le système fonctionne au-delà de la fréquence de résonance propre d'un condensateur, ce dernier « agira » comme s'il avait une valeur différente. De plus, d'autres composants réactifs (par exemple, inductances, chokes ou ferrites) interagiront avec le condensateur pour créer des oscillations couplées complexes. Assurez-vous de valider votre conception avec des simulations pour déterminer la bonne capacitance nécessaire pour le filtrage.

L'objectif principal dans le filtrage EMI sur une ligne d'alimentation est l'annulation du bruit en mode commun et en mode différentiel. J'utilise toujours des condensateurs non polarisés pour les filtres EMI qui sont connectés aux lignes AC et je recommande aux autres concepteurs de faire de même. Tant que les fréquences de résonance propre de tous les condensateurs sont suffisamment grandes pour la bande passante de bruit qui vous préoccupe, alors vous n'avez pas à vous en soucier autant.

Sortie du régulateur

Lorsqu'il est placé sur la sortie d'un régulateur (par exemple, régulateur à découpage ou LDO), le condensateur joue un double rôle. Premièrement, son rôle est de se charger et de se décharger pendant la commutation afin de maintenir la sortie DC stable. Deuxièmement, son rôle est de dévier les EMI haute fréquence conduits vers la terre. Des condensateurs polarisés ou non polarisés peuvent être utilisés pour cette application tant que la fréquence de résonance propre est suffisamment élevée.

Dans le cas d'un régulateur à découpage, le signal PWM dans le régulateur générera des harmoniques qui s'étendent jusqu'à des centaines de MHz, qui apparaîtront alors comme des EMI rayonnés et conduits sur la sortie. Ces EMI peuvent être réduits en ajoutant une petite quantité d'amortissement dans le circuit, comme avec une ferrite sur la sortie du MOSFET de commutation dans le régulateur. Le défi ici est d'utiliser un condensateur avec une fréquence de résonance propre suffisamment élevée, éventuellement avec un ESR plus élevé si le courant est assez faible. Si le courant de sortie est important, alors optez pour une ferrite ou une inductance pour induire plus d'amortissement dans la résonance propre.

Comment l'amortissement affecte la résonance propre. À gauche, l'augmentation de l'amortissement dans le système augmente l'impédance du condensateur à la résonance. Les effets sur l'EMI rayonnée dans un convertisseur à découpage (auto-résonance du condensateur de sortie = 146 MHz) sont montrés à droite.

Une autre utilisation importante des condensateurs, en dehors de la conception d'alimentation, est pour les réseaux d'adaptation d'impédance dans les circuits à haute fréquence/haute vitesse. Cependant, utiliser un composant réactif comme un condensateur pour l'adaptation d'impédance est plus courant pour les antennes plutôt que pour les paires émetteur/récepteur à haute vitesse. Cet aspect de l'utilisation des condensateurs est un peu plus spécialisé, et j'aborderai probablement ce sujet dans un futur article.

Lorsque vous recherchez les meilleurs condensateurs pour le filtrage d'alimentation, essayez d'utiliser les fonctionnalités de recherche avancée et de filtration sur Octopart. Lorsque vous utilisez le moteur de recherche d'Octopart, vous aurez une solution complète pour la recherche de composants électroniques et la gestion de la chaîne d'approvisionnement. Jetez un œil à notre page sur les composants passifs pour trouver les condensateurs dont vous avez besoin.

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