U procesu izgradnje prekidačkog napajanja, kako treba pravilno odabrati filterski kondenzator?
Kondenzator filtera ima vrlo važnu ulogu u sklopnom napajanju. Kako pravilno odabrati kondenzator filtera, a posebno izbor kondenzatora izlaznog filtera problem je koji svakog inženjera i tehničara jako zanima. Možemo vidjeti različite kondenzatore u strujnom krugu filtera snage, 100uF, 10uF, 100nF, 10nF s različitim vrijednostima kapacitivnosti, pa kako se ti parametri određuju? Nemojte mi reći da sam kopirao tuđi shematski dijagram, ha, ha.
Za uobičajene elektrolitske kondenzatore koji se koriste u strujnim strujnim krugovima od 50 Hz, frekvencija pulsirajućeg napona je samo 100 Hz, a vrijeme punjenja i pražnjenja je reda veličine milisekundi. Da bi se dobio manji koeficijent pulsiranja, potreban je kapacitet od stotina tisuća μF. Stoga je cilj običnih niskofrekventnih aluminijskih elektrolitskih kondenzatora povećanje kapaciteta. Glavni parametri za i protiv. Međutim, elektrolitski kondenzator izlaznog filtra u prekidačkom napajanju ima frekvenciju napona pilastog vala do desetina kHz, ili čak desetaka MHz. U ovom trenutku kapacitivnost nije glavni pokazatelj. Standard za mjerenje kvalitete visokofrekventnih aluminijskih elektrolitičkih kondenzatora je "impedancija-"Frekvencija" karakteristika, zahtijeva se da ima nižu ekvivalentnu impedanciju unutar radne frekvencije prekidačkog napajanja, a da u isto vrijeme ima dobro filtriranje učinak na visokofrekventne skokove koji nastaju kada poluvodički uređaj radi.
Obični niskofrekventni elektrolitički kondenzatori počinju pokazivati induktivnost na oko 10 kHz, što ne može zadovoljiti zahtjeve prekidačkih izvora napajanja. Visokofrekventni aluminijski elektrolitički kondenzator namijenjen prekidačkom napajanju ima četiri terminala. Dva kraja pozitivnog aluminijskog lima izvlače se kao pozitivna elektroda kondenzatora, a dva kraja negativnog aluminijskog lima također se izvlače kao negativna elektroda. Struja teče s jednog pozitivnog terminala kondenzatora s četiri terminala, prolazi kroz unutrašnjost kondenzatora, a zatim teče s drugog pozitivnog terminala do opterećenja; struja koja se vraća iz opterećenja također teče s jednog negativnog terminala kondenzatora, a zatim teče s drugog negativnog terminala na negativni terminal napajanja.
Budući da kondenzator s četiri stezaljke ima dobre visokofrekventne karakteristike, on pruža izuzetno povoljan način za smanjenje pulsirajuće komponente napona i potiskivanje šumova šiljaka. Visokofrekventni aluminijski elektrolitski kondenzatori također imaju višejezgreni oblik, odnosno aluminijska folija je podijeljena u nekoliko kraćih dijelova, a više vodova je spojeno paralelno kako bi se smanjila komponenta impedancije u kapacitivnoj reaktanciji. A upotreba materijala niskog otpora kao izlaznih priključaka poboljšava sposobnost kondenzatora da izdrži velike struje.
Da bi digitalni sklopovi radili stabilno i pouzdano, napajanje mora biti "čisto", a nadopunjavanje energijom mora biti pravovremeno, odnosno filtriranje i odvajanje mora biti dobro. Ono što je filtriranje i odvajanje, jednostavno rečeno, to je pohranjivanje energije kada čipu nije potrebna struja, a ja mogu nadoknaditi energiju na vrijeme kada je potrebna struja. Nemojte mi reći da ova odgovornost nije za DCDC i LDO? Da, na niskim frekvencijama oni to mogu podnijeti, ali digitalni sustavi velike brzine su drugačiji.
Pogledajmo prvo kondenzator. Funkcija kondenzatora je jednostavno pohraniti naboj. Svi znamo da bi kondenzatorsko filtriranje trebalo dodati naponu napajanja, a kondenzator {{0}}.1uF bi trebao biti postavljen na naponsku iglu svakog čipa za odvajanje, itd. Zašto vidim da kondenzator pored priključka za napajanje nekih čipova ploče je 0.1uF ili 0.01uF Da, koja je svrha? Da bismo razumjeli ovu istinu, moramo razumjeti stvarne karakteristike kondenzatora. Idealan kondenzator je samo skladište naboja, naime C. Međutim, stvarno proizvedeni kondenzator nije tako jednostavan. Prilikom analize integriteta napajanja, model kondenzatora koji se često koristi prikazan je na donjoj slici.
Na slici, ESR je serijski ekvivalentni otpor kondenzatora, ESL je serijski ekvivalentni induktivitet kondenzatora, a C je pravi idealni kondenzator. ESR i ESL određeni su procesom proizvodnje i materijalima kondenzatora i ne mogu se eliminirati. Kakav učinak ove dvije stvari imaju na strujni krug. ESR utječe na valovitost napajanja, a ESL utječe na frekvencijske karakteristike filtera kondenzatora.
Znamo da kapacitivna reaktancija Zc=1/ωC kondenzatora, induktivna reaktancija Zl=ωL induktora, (ω=2πf), i kompleksna impedancija stvarnog kondenzatora je Z=ESR plus jωL-1/jωC=ESR plus j2πf L-1/j2πf c. Može se vidjeti da kada je frekvencija vrlo niska, kapacitivnost igra ulogu, a kada je frekvencija visoka do određene razine, uloga induktiviteta ne može se zanemariti, a kada je frekvencija viša, induktivitet će igrati vodeća uloga. Kondenzator gubi učinak filtriranja. Zapamtite, kada je frekvencija visoka, kondenzator nije samo kondenzator.
Kao što je gore spomenuto, ekvivalentni serijski induktivitet kondenzatora određen je procesom proizvodnje i materijalom kondenzatora. ESL stvarnog keramičkog kondenzatora u čipu kreće se od nekoliko desetinki nH do nekoliko nH, a što je paket manji, to je ESL manji.
Iz gornje krivulje filtra kondenzatora također možemo vidjeti da nije ravna, već je poput 'V', što znači da ima frekvencijski selektivne karakteristike, i nadamo se da je što ravna ( pre-stage board-level filtering), a ponekad želite da bude što oštriji (filtriranje ili urezivanje). Ono što utječe na ovu karakteristiku je faktor kvalitete Q kondenzatora, Q=1/ωCESR, što je ESR veći, Q je manji i krivulja je ravnija. Naprotiv, što je ESR manji, Q je veći i krivulja je oštrija. Obično tantalski kondenzatori i aluminijski elektroliti imaju relativno mali ESL, ali ESR je velik, tako da tantalni kondenzatori i aluminijski elektroliti imaju širok efektivni frekvencijski raspon, što je vrlo prikladno za filter razine prednje ploče. Drugim riječima, tantalski kondenzator velikog kapaciteta često se koristi za filtriranje na ulaznom stupnju DCDC ili LDO. I stavite kondenzatore od 10uF i 0,1uF u blizini čipa za odvajanje, keramički kondenzatori imaju vrlo nizak ESR.
