Chọn Tụ Điện Tốt Nhất cho Lọc Nguồn Cung Cấp

Mọi nguồn cung cấp điện được điều chỉnh cần được thiết kế để có độ ồn thấp ở đầu vào và đầu ra của bộ phận điều chỉnh. Việc giảm tiếng ồn phụ thuộc vào việc chọn đúng tụ điện lọc cho nguồn cung cấp của bạn. Tùy thuộc vào dòng điện, những tụ điện này có thể khá lớn, hoặc bạn có thể cần đặt một số lượng lớn tụ điện song song. Với tụ điện phù hợp (hoặc bộ tụ điện), bạn sẽ có thể giảm biên độ dao động điện áp từ bộ chỉnh lưu của mình trong khi đảm bảo tuổi thọ dài lâu.

Mặc dù hầu hết các chủ đề liên quan đến “tụ điện lọc” chỉ đơn giản là ám chỉ tụ điện ở đầu ra của một bộ chỉnh lưu, nó cũng có thể ám chỉ tụ điện ở đầu ra của một bộ điều chỉnh điện áp. Một tụ điện lọc cũng có thể ám chỉ các thành phần được sử dụng trong bộ lọc EMI ở đầu vào của một nguồn cung cấp điện. May mắn thay, một số nguyên tắc tương tự áp dụng khi chọn tụ điện tốt nhất cho việc lọc nguồn cung cấp điện. Hãy xem hướng dẫn của chúng tôi để biết cách chọn tụ điện nguồn cung cấp bạn cần.

Tụ điện nào là tốt nhất cho việc lọc nguồn cung cấp điện?

Dù chúng ta muốn chỉ cần truy cập DigiKey và mở một trang cho tụ điện lọc, con đường này không tồn tại. Sự thật là, các tụ điện khác nhau hữu ích cho các mục đích khác nhau, và các thông số kỹ thuật trong các tụ điện xác định ứng dụng phù hợp của nó. Rõ ràng, bạn cần phải chọn kích thước tụ điện phù hợp với giá trị cần thiết để cung cấp khả năng giảm dao động (càng lớn càng tốt), nhưng nó vượt ra ngoài việc chỉ tính toán dung lượng.

Để bắt đầu chọn tụ điện tốt nhất cho việc lọc nguồn cung cấp điện, bạn cần phải vào bảng dữ liệu tụ điện và tìm hiểu một số thông số kỹ thuật. Một số thông số kỹ thuật quan trọng như sau:

• Chất liệu tụ điện: Tụ điện của bạn có thể là gốm, điện phân, tantalum, polyester, hoặc chất liệu khác. Điều này quyết định phạm vi dung lượng hữu ích, cũng như các thông số kỹ thuật khác như điện áp định mức và các thành phần phụ.

• Điện áp làm việc định mức: Điều này cơ bản cho bạn biết điện áp DC hoặc AC RMS tối đa có thể được áp dụng lên tụ điện. Điện áp làm việc định mức hợp lệ trong một phạm vi nhiệt độ hoạt động nhất định, có thể được hiển thị trên một biểu đồ.

• Thành phần phụ hoặc tần số tự cộng hưởng: Các thông số kỹ thuật này được nêu ra theo các cách khác nhau, tùy thuộc vào nhà sản xuất. Nhà sản xuất có thể chỉ nêu giá trị ESR và ESL, hoặc giá trị ESL và Q-factor, có thể được sử dụng để tính toán tần số tự cộng hưởng và băng thông. Mặt khác, phổ trở kháng sẽ được hiển thị trên một biểu đồ, có thể sau đó được sử dụng để tính toán giá trị ESR và ESL.

• Hệ số nhiệt độ: Hầu hết các nhà thiết kế không lo lắng về điều này, nhưng nó trở nên quan trọng khi dung lượng của một tụ điện thực tế sẽ thay đổi theo nhiệt độ. Do đó, bạn nên chọn một tụ điện có hệ số nhiệt độ nhỏ nhất nếu sản phẩm của bạn sẽ hoạt động trong một phạm vi nhiệt độ rộng.

• Cực tính: Tụ lọc cho mạch DC có một số cực tính định rõ, chỉ ra hướng của điện trường nên chỉ qua tụ điện. Điện áp AC quá lớn qua một tụ điện có cực tính có thể phá hủy linh kiện trước thời hạn.

Phạm vi các thông số kỹ thuật này sẽ bao gồm tất cả các ứng dụng lọc liên quan mà bạn sẽ làm việc với. Mẹo trong việc chọn một tụ điện đầu ra bộ chỉnh lưu, tụ lọc EMI, hoặc tụ điện đầu ra bộ điều chỉnh công suất là cân bằng giá trị dung lượng yêu cầu với các thông số kỹ thuật quan trọng khác. Sơ đồ khối cho thấy một số vị trí bạn sẽ cần chọn các loại tụ điện khác nhau cho thiết kế của mình.

Ba vị trí điển hình để đặt một tụ lọc và thông số quan trọng trong mỗi trường hợp được hiển thị ở trên.

Lọc Đầu Ra Bộ Chỉnh Lưu

Ở đây, điểm quan trọng cần xem xét là giá trị dung lượng và giá trị ESR. Các giá trị này quan trọng vì hai lý do. Đầu tiên, tụ điện cần được kích thước sao cho điện áp dao động được giảm thiểu trong một nửa chu kỳ của dao động dòng điện. Để kích thước tụ điện bạn cần, chỉ cần sử dụng công thức dưới đây:

Giá trị tụ điện cần thiết để giữ điện áp dao động từ đỉnh này sang đỉnh khác ở một giá trị cụ thể.

Tại đây, thuật ngữ hiện tại đề cập đến dòng điện cần được cung cấp bởi tụ điện khi dòng điện và sụt áp điện áp xảy ra trong quá trình chỉnh lưu. Đối với một dòng điện nhất định, chỉ cần chọn độ biến đổi mong muốn của điện áp rối (dưới dạng thay đổi độ lớn) để tính toán giá trị tụ điện cần thiết. Lý thuyết, một tụ điện có dung lượng vô hạn sẽ tạo ra không có rối điện áp.

Giá trị ESR là một yếu tố nhiễu loạn quyết định tốc độ nóng lên của các dẫn trong tụ điện khi linh kiện này được sạc và xả. ESR cũng xác định lượng thời gian nhỏ nhất mà tụ điện có thể xả. Đối với một hệ thống kết nối với nguồn điện lưới, bạn sẽ làm việc ở 50 hoặc 60 Hz, vì vậy bạn không cần phải lo lắng về thời gian xả. Tụ lọc nên được chọn với giá trị ESR thấp trong khi cũng cung cấp dung lượng cao; gốm là một lựa chọn tốt ở đây vì chúng có xu hướng có ESR rất thấp.

Lọc EMI

Khi thiết kế một bộ lọc EMI, điểm quan trọng là cấu trúc mạch và giá trị dung lượng chính xác. Tự cộng hưởng cũng quan trọng ở đây bởi vì, nếu hệ thống hoạt động ngoài tần số tự cộng hưởng của tụ điện, một tụ điện sẽ “hành xử” như thể nó có một giá trị khác nhau. Ngoài ra, các thành phần phản ứng khác (ví dụ, cuộn cảm, cuộn dây chống nhiễu, hoặc ferrites) sẽ tương tác với tụ điện để tạo ra các dao động kết hợp phức tạp. Hãy chắc chắn xác thực thiết kế của bạn với các mô phỏng để xác định dung lượng cần thiết cho việc lọc.

Mục tiêu chính trong việc lọc EMI trên một đường dây cung cấp điện là hủy bỏ tiếng ồn chế độ chung và chế độ khác biệt. Tôi luôn sử dụng tụ điện không phân cực cho bộ lọc EMI được kết nối với đường dây AC và tôi khuyên các nhà thiết kế khác cũng nên làm như vậy. Miễn là tần số tự cộng hưởng của tất cả các tụ điện đủ lớn cho băng thông tiếng ồn bạn quan tâm, thì bạn không cần phải lo lắng quá nhiều.

Đầu ra Bộ Điều Chỉnh

Khi được đặt trên đầu ra của một bộ điều chỉnh (ví dụ, bộ điều chỉnh chuyển mạch hoặc LDO), tụ điện đóng vai trò kép. Đầu tiên, vai trò của nó là sạc và xả trong quá trình chuyển mạch để giữ cho đầu ra DC ổn định. Thứ hai, vai trò của nó là shunt EMI tần số cao dẫn về mặt đất. Tụ điện có cực hoặc không có cực đều có thể được sử dụng cho ứng dụng này miễn là tần số tự cộng hưởng đủ cao.

Trong trường hợp của một bộ điều chỉnh chuyển mạch, tín hiệu PWM trong bộ điều chỉnh sẽ tạo ra các hài âm kéo dài đến hàng trăm MHz, sau đó sẽ xuất hiện như là EMI phát ra và EMI dẫn trên đầu ra. EMI này có thể được giảm bằng cách thêm một lượng nhỏ giảm xóc vào mạch, chẳng hạn như với một ferrite trên đầu ra của MOSFET chuyển mạch trong bộ điều chỉnh. Thách thức ở đây là sử dụng một tụ điện với tần số tự cộng hưởng đủ cao, có thể với ESR cao hơn nếu dòng điện đủ thấp. Nếu dòng điện đầu ra lớn, thì nên chọn một ferrite hoặc cuộn cảm để tăng cường giảm xóc vào tự cộng hưởng.

Cách mà sự giảm xóc ảnh hưởng đến cộng hưởng tự nhiên. Bên trái, việc tăng giảm xóc vào hệ thống làm tăng trở kháng của tụ điện tại cộng hưởng. Ảnh hưởng đến EMI bức xạ trong một bộ chuyển đổi chuyển mạch (cộng hưởng tự nhiên của tụ điện đầu ra = 146 MHz) được hiển thị ở bên phải.

Một ứng dụng quan trọng khác của tụ điện ngoài thiết kế nguồn cung cấp là cho mạng lưới khớp trở kháng trong các mạch tần số cao/tốc độ cao. Tuy nhiên, việc sử dụng một thành phần phản ứng như tụ điện cho việc khớp trở kháng thường phổ biến hơn đối với ăng-ten hơn là cặp truyền nhận tốc độ cao. Khía cạnh sử dụng tụ điện này hơi chuyên biệt hơn, và tôi sẽ có thể đề cập đến điều này trong một bài viết tương lai.

Khi bạn đang tìm kiếm các tụ điện tốt nhất cho việc lọc nguồn cung cấp, hãy thử sử dụng các tính năng tìm kiếm và lọc tiên tiến trên Octopart. Khi bạn sử dụng công cụ tìm kiếm của Octopart, bạn sẽ có một giải pháp hoàn chỉnh cho việc tìm nguồn cung cấp điện tử và quản lý chuỗi cung ứng. Hãy xem trang linh kiện bị động của chúng tôi để tìm các tụ điện bạn cần.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.