Selezionare i Migliori Condensatori per il Filtraggio dell'Alimentazione

Ogni alimentatore regolato deve essere progettato per avere un basso rumore sia all'ingresso che all'uscita della sezione del regolatore. Ridurre il rumore dipende dalla scelta del giusto condensatore di filtro per il tuo alimentatore. A seconda della corrente, questi condensatori possono essere piuttosto grandi, oppure potrebbe essere necessario posizionare un gran numero di condensatori in parallelo. Con il condensatore giusto (o banca di condensatori), sarai in grado di smorzare l'ondulazione della tensione dal tuo raddrizzatore garantendo al contempo una lunga durata.

Sebbene la maggior parte degli argomenti che coinvolgono i "condensatori di filtro" si riferisca semplicemente al condensatore di uscita su un raddrizzatore, può anche riferirsi al condensatore sull'uscita di un regolatore di tensione. Un condensatore di filtro potrebbe anche riferirsi a componenti utilizzati in un filtro EMI all'ingresso di un alimentatore. Fortunatamente, alcuni degli stessi principi si applicano quando si selezionano i migliori condensatori per il filtraggio dell'alimentazione. Dai un'occhiata alla nostra guida per vedere come selezionare il condensatore di alimentazione di cui hai bisogno.

Quali sono i migliori condensatori per il filtraggio dell'alimentazione?

Per quanto ci piacerebbe semplicemente andare su DigiKey e aprire una pagina per i condensatori di filtraggio, questa strada non esiste. La verità è che diversi condensatori sono utili per scopi diversi, e le specifiche in vari condensatori determinano la sua applicazione appropriata. Ovviamente, dovrai dimensionare il condensatore al valore appropriato per fornire la soppressione dell'ondulazione (più grande è meglio), ma va oltre il semplice calcolo della capacità.

Per iniziare a selezionare i migliori condensatori per il filtraggio dell'alimentazione, è necessario entrare in un datasheet di un condensatore e esaminare alcune specifiche. Alcune delle specifiche importanti sono le seguenti:

• Materiale del condensatore: Il tuo condensatore potrebbe essere in ceramica, elettrolitico, al tantalio, in poliestere o di altro materiale. Questo determina l'intervallo di capacità utile, così come altre specifiche come la tensione nominale e i parasitici.

• Valutazione della tensione di lavoro: Questo indica fondamentalmente la massima tensione DC o AC RMS che può essere applicata al condensatore. La tensione di lavoro specificata è valida entro un certo intervallo di temperatura operativa, che può essere visualizzato su un grafico.

• Parasitici o frequenza di auto-risonanza: Queste specifiche sono indicate in modi diversi, a seconda del produttore. Il produttore potrebbe indicare solo i valori di ESR e ESL, o i valori di ESL e fattore Q, che possono essere utilizzati per calcolare la frequenza di auto-risonanza e la larghezza di banda. In alternativa, lo spettro di impedenza sarà mostrato in un grafico, che può poi essere utilizzato per calcolare i valori di ESR e ESL.

• Coefficiente di temperatura: La maggior parte dei progettisti non si preoccupa di questo, ma diventa importante poiché la capacità di un condensatore reale cambierà con la temperatura. Pertanto, dovresti scegliere un condensatore con il minore coefficiente di temperatura se il tuo prodotto dovrà operare su un ampio intervallo di temperature.

• Polarizzazione: I condensatori di filtro per circuiti DC hanno una certa polarizzazione specificata, che indica la direzione in cui il campo elettrico dovrebbe puntare attraverso il condensatore. Una tensione AC eccessivamente grande attraverso un condensatore polarizzato può distruggere prematuramente il componente.

Questa gamma di specifiche coprirà tutte le applicazioni di filtraggio rilevanti con cui lavorerai. Il trucco nella selezione di un condensatore di uscita di un raddrizzatore, un condensatore di filtro EMI o un condensatore di uscita di un regolatore di potenza è bilanciare il valore di capacità richiesto con le altre specifiche importanti. Il diagramma a blocchi mostra alcuni punti in cui dovrai selezionare diversi tipi di condensatori per il tuo progetto.

I tre tipici punti in cui inserire un condensatore di filtraggio e il parametro importante in ciascun caso sono mostrati sopra.

Filtraggio dell'uscita del Raddrizzatore

Qui, il punto importante da considerare è il valore della capacità e il valore dell'ESR. Questi valori sono importanti per due motivi. Primo, il condensatore deve essere dimensionato in modo tale che la tensione di ripple sia minimizzata durante un semiperiodo dell'oscillazione di linea. Per dimensionare il condensatore di cui hai bisogno, usa semplicemente la formula mostrata di seguito:

Valore del condensatore richiesto per mantenere il ripple picco-picco a un valore specifico.

Qui, il termine corrente si riferisce alla corrente che deve essere fornita dal condensatore quando la corrente e la caduta di tensione del raddrizzatore avvengono durante la rettificazione. Per una data corrente, è sufficiente selezionare l'ondulazione di tensione desiderata (come variazione di ampiezza) per calcolare il valore del condensatore richiesto. Teoricamente, una capacità infinita produrrà zero ondulazione.

Il valore ESR è un parassita che determina quanto velocemente i conduttori nel condensatore si riscalderanno mentre il componente si carica e si scarica. L'ESR definisce anche la minima quantità di tempo durante il quale il condensatore può scaricarsi. Per un sistema collegato alla rete elettrica, lavorerai a 50 o 60 Hz, quindi non dovrai preoccuparti del tempo di scarica. Il condensatore di filtro dovrebbe essere scelto con un valore di ESR basso pur fornendo un'alta capacità; i ceramici sono una buona scelta qui poiché tendono ad avere un ESR molto basso.

Filtraggio EMI

Quando si progetta un filtro EMI, il punto importante è la topologia del circuito e il valore esatto della capacità. Anche l'autorisonanza è importante qui perché, se il sistema opera oltre la frequenza di autorisonanza di un condensatore, un condensatore "agirà" come se avesse un valore diverso. Inoltre, altri componenti reattivi (ad es., induttori, strozzatori o ferriti) interagiranno con il condensatore per creare oscillazioni accoppiate complicate. Assicurati di validare il tuo progetto con simulazioni per determinare la capacità giusta necessaria per il filtraggio.

L'obiettivo principale nel filtraggio EMI su una linea di alimentazione è la cancellazione del rumore in modo comune e differenziale. Io uso sempre condensatori non polarizzati per i filtri EMI che sono collegati a linee AC e raccomando ad altri progettisti di fare lo stesso. Finché le frequenze di autorisonanza di tutti i condensatori sono sufficientemente grandi per la larghezza di banda del rumore che ti interessa, allora non devi preoccuparti troppo.

Uscita del Regolatore

Quando posizionato sull'uscita di un regolatore (ad es., regolatore di commutazione o LDO), il condensatore svolge un doppio ruolo. Primo, il suo ruolo è di caricarsi e scaricarsi durante la commutazione in modo da mantenere stabile l'uscita DC. Secondo, il suo ruolo è di deviare l'EMI ad alta frequenza condotta a terra. Per questa applicazione possono essere utilizzati condensatori polarizzati o non polarizzati purché la frequenza di autorisonanza sia sufficientemente alta.

Nel caso di un regolatore di commutazione, il segnale PWM nel regolatore genererà armoniche che si estendono fino a centinaia di MHz, che poi appariranno come EMI irradiata e condotta sull'uscita. Questa EMI può essere ridotta aggiungendo una piccola quantità di smorzamento nel circuito, come con una ferrite sull'uscita del MOSFET di commutazione nel regolatore. La sfida qui è utilizzare un condensatore con una frequenza di autorisonanza sufficientemente alta, possibilmente con un ESR più alto se la corrente è abbastanza bassa. Se la corrente di uscita è grande, allora opta per una ferrite o un induttore per indurre più smorzamento nell'autorisonanza.

Come l'ammortizzazione influenza la risonanza propria. A sinistra, aumentare l'ammortizzazione nel sistema aumenta l'impedenza del condensatore alla risonanza. Gli effetti sull'EMI irradiata in un convertitore di commutazione (auto-risonanza del condensatore di uscita = 146 MHz) sono mostrati a destra.

Un altro importante utilizzo dei condensatori al di fuori della progettazione dell'alimentazione è per le reti di adattamento dell'impedenza nei circuiti ad alta frequenza/alta velocità. Tuttavia, l'uso di un componente reattivo come un condensatore per l'adattamento dell'impedenza è più comune per le antenne piuttosto che per le coppie di driver/ricevitori ad alta velocità. Questo aspetto dell'uso dei condensatori è un po' più specializzato, e probabilmente lo affronterò in un futuro articolo.

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