Выбор лучших конденсаторов для фильтрации блока питания

Любой регулируемый источник питания должен быть спроектирован так, чтобы иметь низкий уровень шума на входе и выходе регулятора. Для снижения уровня шума важно выбрать правильный фильтрующий конденсатор для вашего источника питания. В зависимости от тока эти конденсаторы могут быть довольно большими, или вам может потребоваться установить большое количество конденсаторов параллельно. С правильным конденсатором (или банком конденсаторов) вы сможете снизить пульсации напряжения от вашего выпрямителя, обеспечивая при этом долгий срок службы.

Хотя большинство вопросов, связанных с «фильтрующими конденсаторами», обычно относятся к выходному конденсатору на выпрямителе, это также может относиться к конденсатору на выходе регулятора напряжения. Фильтрующий конденсатор также может относиться к компонентам, используемым в фильтре ЭМИ на входе источника питания. К счастью, некоторые из тех же принципов применимы при выборе лучших конденсаторов для фильтрации источника питания. Посмотрите наше руководство, чтобы узнать, как выбрать необходимый вам конденсатор для источника питания.

Какие конденсаторы лучше всего подходят для фильтрации источника питания?

Хотелось бы просто зайти на DigiKey и открыть страницу с фильтрующими конденсаторами, но такой возможности нет. Правда в том, что разные конденсаторы полезны для разных целей, и спецификации различных конденсаторов определяют их соответствующее применение. Очевидно, что вам нужно будет подобрать конденсатор соответствующего размера для подавления пульсаций (чем больше, тем лучше), но это выходит за рамки простого расчета емкости.

Чтобы начать выбор лучших конденсаторов для фильтрации источника питания, вам нужно изучить техническое описание конденсатора и рассмотреть некоторые спецификации. Некоторые важные спецификации следующие:

• Материал конденсатора: Ваш конденсатор может быть керамическим, электролитическим, танталовым, полиэфирным или из другого материала. Это определяет полезный диапазон емкости, а также другие характеристики, такие как номинальное напряжение и паразитные параметры.

• Рабочее напряжение: Это показывает максимальное постоянное или переменное напряжение RMS, которое может быть приложено к конденсатору. Указанное рабочее напряжение действительно в определенном диапазоне рабочих температур, который может быть показан на графике.

• Паразитные параметры или собственная резонансная частота: Эти характеристики указываются разными способами в зависимости от производителя. Производитель может указать только значения ESR и ESL, или значения ESL и добротности, которые можно использовать для расчета собственной резонансной частоты и полосы пропускания. В качестве альтернативы, спектр импеданса может быть показан на графике, который затем может быть использован для расчета значений ESR и ESL.

• Температурный коэффициент: Большинство конструкторов не обращают на это внимание, но это становится важным, поскольку емкость реального конденсатора будет изменяться с температурой. Поэтому, если ваш продукт будет работать в широком диапазоне температур, следует выбрать конденсатор с наименьшим температурным коэффициентом.

• Поляризация: Фильтрующие конденсаторы для постоянного тока имеют определенную поляризацию, которая указывает направление электрического поля через конденсатор. Чрезмерно большое переменное напряжение на поляризованном конденсаторе может преждевременно уничтожить компонент.

Этот диапазон характеристик охватывает все соответствующие приложения фильтрации, с которыми вы будете работать. Трюк при выборе выходного конденсатора выпрямителя, конденсатора фильтра ЭМП или выходного конденсатора регулятора мощности заключается в балансировке требуемого значения емкости с другими важными характеристиками. Блок-схема показывает некоторые места, где вам потребуется выбрать разные типы конденсаторов для вашего дизайна.

Выше показаны три типичных места для установки фильтрующего конденсатора и важный параметр в каждом случае.

Фильтрация на выходе выпрямителя

Здесь важными моментами для рассмотрения являются значение емкости и значение ESR. Эти значения важны по двум причинам. Во-первых, конденсатор должен быть такого размера, чтобы минимизировать пульсации напряжения в течение полупериода колебаний линии. Для расчета необходимой вам емкости просто используйте формулу, показанную ниже:

Требуемое значение конденсатора для поддержания пиково-пиковой пульсации на определенном уровне.

Здесь текущий термин относится к току, который должен быть обеспечен конденсатором, когда ток и падение напряжения в выпрямителе уменьшаются во время выпрямления. Для заданного тока просто выберите желаемое колебание напряжения (как изменение величины), чтобы рассчитать необходимое значение конденсатора. Теоретически, бесконечная ёмкость обеспечит нулевое колебание.

Значение ESR является паразитным и определяет, насколько быстро проводники в конденсаторе будут нагреваться, когда компонент заряжается и разряжается. ESR также определяет минимальное количество времени, за которое конденсатор может разрядиться. Для системы, подключенной к сетевому питанию, вы будете работать на частоте 50 или 60 Гц, поэтому вам не нужно беспокоиться о времени разряда. Фильтрующий конденсатор следует выбирать с низким значением ESR, обеспечивая при этом высокую ёмкость; керамика здесь хороший выбор, так как она, как правило, имеет очень низкий ESR.

Фильтрация EMI

При проектировании фильтра EMI важным является топология схемы и точное значение ёмкости. Саморезонанс также важен, потому что, если система работает за пределами собственной резонансной частоты конденсатора, конденсатор будет «действовать», как будто он имеет другое значение. Кроме того, другие реактивные компоненты (например, индуктивности, дроссели или ферриты) будут взаимодействовать с конденсатором, создавая сложные связанные колебания. Обязательно проверьте свой проект с помощью симуляций, чтобы определить необходимую ёмкость для фильтрации.

Основная цель фильтрации EMI на линии питания - это подавление общемодовых и дифференциальных помех. Я всегда использую неполяризованные конденсаторы для фильтров EMI, которые подключены к переменным токовым линиям, и рекомендую другим разработчикам делать то же самое. До тех пор, пока собственные резонансные частоты всех конденсаторов достаточно велики для полосы шума, которая вас интересует, то вам не о чем беспокоиться.

Выход регулятора

Когда установлен на выходе регулятора (например, ключевого регулятора или LDO), конденсатор играет двойную роль. Во-первых, его роль заключается в зарядке и разрядке во время переключения, чтобы поддерживать стабильный выход постоянного тока. Во-вторых, его роль заключается в отводе высокочастотных проводимых помех EMI на землю. Для этого применения могут использоваться поляризованные или неполяризованные конденсаторы, если собственная резонансная частота достаточно высока.

В случае ключевого регулятора, сигнал ШИМ в регуляторе будет генерировать гармоники, которые простираются до сотен МГц, что затем проявится как излучаемые и проводимые помехи EMI на выходе. Эти помехи можно уменьшить, добавив небольшое количество демпфирования в схему, например, с помощью феррита на выходе ключевого MOSFET в регуляторе. Задача здесь заключается в использовании конденсатора с достаточно высокой собственной резонансной частотой, возможно, с более высоким ESR, если ток достаточно низкий. Если выходной ток велик, то лучше использовать феррит или индуктивность для увеличения демпфирования в собственном резонансе.

Как демпфирование влияет на собственную резонансную частоту. Слева показано, что увеличение демпфирования в системе повышает импеданс конденсатора на резонансной частоте. Справа показаны эффекты на излучаемые электромагнитные помехи в коммутационном преобразователе (собственная резонансная частота выходного конденсатора = 146 МГц).

Еще одно важное применение конденсаторов, помимо проектирования источников питания, - это сети согласования импедансов в высокочастотных/высокоскоростных цепях. Однако использование реактивного компонента, такого как конденсатор, для согласования импедансов более распространено для антенн, чем для пар высокоскоростных драйверов/приемников. Этот аспект использования конденсаторов немного более специализирован, и я, вероятно, рассмотрю его в будущей статье.

Когда вы ищете лучшие конденсаторы для фильтрации источника питания, попробуйте использовать расширенный поиск и функции фильтрации на Octopart. Используя поисковую систему Octopart, вы получите полное решение для поиска электронных компонентов и управления цепочками поставок. Посмотрите нашу страницу с пассивными компонентами, чтобы найти необходимые вам конденсаторы.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.