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说说:器件基础知识——电容2023/12/27

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发表于 2023-12-27 19:18:06 | 显示全部楼层 |阅读模式

  1、储能能力


  电容是电抗元件,其储存的能量称为静电能,理想情况下它自身不消耗能量高压电容器https://www.cookekolb.com/Products/gybldrq.html库克库伯电气(上海)有限公司30余年专注无功补偿及谐波治理等电能质量问题。在电力电容器,滤波电容器,自愈式电力电容器,滤波电抗器等产品上有专业的技术和优质的客户服务。400-607-8886!

  ,E为电感储存的能量,C为电容量,V为电容两端电压

  2、电容电压无法突变

  ,若电压发生突变,即du/dt很大,那么电容电流将无穷大,实际不可能,所以电容电压无法突变。若加在电容上两端的电压突然撤走,则电容会产生较大电流尖峰

  3、交流电中电容电流相位超前电压相位90°

  直流电中没有相位,而在交流电中,相位是反映交流电任何时刻的状态的物理量

  交流电的大小和方向是随时间变化的,以正弦交流电为例:

  ,,t为相位

  因为电容电压是无法突变,所以电容电流相位一定超前于电压相位

  通过上述两式可得,电容电流相位超前电压相位90°

  4、通高频阻低频

  ,理想情况下电容容抗计算公式

  频率越小,容抗就越大,信号就越不容易通过,所以通高频

  5、通交流隔直流

  电容是由两块平行板组成,看成是断路无法通过直流电。而交流电不停改变方向产生感应电荷从而产生电流,而交流电压仅在充满电时达到最大值,因此电容通交隔直

  6、等效模型

  实际情况下,制造电容的材料有电阻,电容的绝缘介质有损耗,表现为等效串联电阻ESR和串联等效电感ESL,所以电容真实的等效模型,应如下图所示:

  ,

  7、自谐振频率SRF

  当频率低于自谐振频率时,电容呈容性,以电容方式工作

  当频率等于自谐振频率时,电容呈阻性,以电阻方式工作

  当频率高于自谐振频率时,电容呈感性,以电感方式工作

  8、单位换算

  9、电容种类

  (1)薄膜电容器

  常用于安规电容

  X电容,跨接在零火线之间,对差模干扰起到滤波作用

  Y电容,跨接在火线或零线与地(PE)之间,对共模干扰起到滤波作用

  (2)陶瓷电容器

  贴片片状电容,ESR低,容值小,体积小,耐压低,成本低,常用于低压电路的滤波、隔直、去耦、储能

  (3)铝电解电容器

  非固态(液态)电解电容,ESR高,容值大,体积大,耐压高,成本低,内部电解质为液体易蒸发,高温环境下寿命低,温度特性差,常用于低高压电路的滤波、储能

  (4)固态电容器

  固态电解电容,ESR低,容值大,体积大,耐压高,成本高,内部电解质为固体,温度特性好,常用于低高压电路的滤波、储能

  (5)钽电容器

  钽(电解)电容,ESR低,容值大,体积小,耐压低,成本高,内部电解质为金属钽,失效后易引起爆裂燃烧

  备注:上述仅罗列了常用的电容器,高/低/大/小都是相对而言,每种电容都有它独特的应用场景,如钽电容可以做到容值大,体积相对小很多,适合用于小型化产品

  通用规律

  ①同材质电容,一般容值越大,其体积就越大

  ②同材质同容值电容,一般体积越大,其耐压就越高

  ③电容ESR跟其材质、容值、体积、频率有关

  ④电容成本受市场影响,不同材质电容可能存在较大波动

  10、常见封装

  陶瓷电容封装公制与英制

  英制(inch)公制(mm)长(mm)宽(mm)020106030.60.3040210051.00.5060316081.60.8080520122.01.2120632163.21.6121032253.22.5181248324.83.2201050255.02.5251264326.43.2

  11、串并联

  电容串联,等效容值变小,等效耐压变大

  ,为N个电容串联后的等效容值?

  电容串联后的等效耐压计算需要分情况来看

  1)若串联中每个电容的容值相等,其等效耐压为?

  2)若串联中每个电容的容值存在不相等,需要分成单独电容来看耐压值。先计算每个电容所能分到的电压,然后根据电压对比电容自身的耐压值来一一确定是否满足耐压

  ①,是流过串联电容的总电压(已知),、和是电容所分到的电压值(待求解)

  ②,电容串联电流相等

  ③

  ④联立上述三式可求解出,N为串联电容的个数,k为第k个电容

  当N=2,k=1时,?

  当N=2,k=2时,

  当N=3,k=1时,?

  当N=3,k=2时,?

  ?当N=3,k=3时,

  ?当N=4,k=1时,

  ⑤通过计算出来的分压值与电容本身的耐压值做比较,以此判断电容串联后是否能满足耐压要求

  电容并联,等效容值变大同时ESR会减小,等效耐压取最小值

  ,为N个并联后的等效容值

  ,为N个并联后的等效耐压值

  1、BUCK-TPS54202

  ,?影响输入电压纹波,ESR是输入电容最大等效串联阻抗,最大负载电流,是开关频率

  规格书指出要求,最大耐压值为

  是自举电容,用于使上管MOS能正常导通,容值采用规格书推荐陶瓷电容

  下图为芯片内部框图,上下两管均为N-MOS,导通需要,但上管MOS源极连SW脚,,为使上管能成功导通,需要升压电路。此升压电路仅由组成,当上管MOS截止,下管MOS导通时,,,被充电;当上管MOS导通,下管MOS截止时,,会强行泵高BOOT脚上电压,,使?

  电路,在时,输出由提供经由下管MOS续流至电感维持,在负载发生突变时,由空载变为重载,调节器需要两个或更多的时钟周期,以控制电源环路应对负载变化,在此期间需要输出电容来提供能量,以保证的下降在可接受范围内,因此电容需要足够大

  ?,是输出电流的变化量,是可接受的输出电压变化范围,是变换器的开关频率,通过此公式可以评估出电源带载能力与输出电容容值之间的关系

  ,是可接受的电源纹波,是电感纹波电流,通过此公式可以评估出电源纹波与输出电容容值之间的关系,可以明显得出增大输出电容容值可以降低电源纹波

  ,通过此公式可以评估出电源纹波与输出电容ESR之间的关系

  ,此公式是在未添加前馈电容下,简单估算输出电容的交叉频率,规格书建议此频率<40kHz

  是前馈电容,用于增加电源环路的相位裕量,提高环路稳定性

  ,当有较高ESR时,此电容不需要添加,但通常输出电容使用贴片陶瓷电容时,ESR都较小

  通常:陶瓷电容ESR<钽电容ESR<电解电容ESR

  在BUCK电路中,输入电容影响输入电压纹波,需要关注它的容值、ESR、耐压值;自举电容组成升压电路,按规格书推荐选型;输出电容影响电源带载能力、电源纹波,需要关注它的容值、ESR、耐压值、交叉频率;前馈电容影响环路稳定性,是否添加与输出电容ESR有关

  2、BOOST-TPS61023

  为输入电容,用于改善输入电流纹波。规格书指出,在使用长导线给电源供电时,需要额外增加大容量钽电容和电解电容,否则输出端的负载阶跃会在电源芯片VIN引脚引起振铃,严重将损坏器件

  为输出电容,用于满足输出纹波和环路稳定性的要求

  ,此公式是在使用陶瓷电容时的计算公式,忽略了ESR的影响,是最大占空比,可以明显得出增大输出电容容值可以降低电源纹波

  ?,若使用的是钽电容或电解电容,则需要考虑ESR引入的电压纹波,此公式用于单独计算ESR引入的电压纹波部分

  为前馈电容,用于增加电源环路的相位裕量,提高环路稳定性

  ,此公式用于计算前馈电容容值,是前馈电容产生的零点频率

  3、BUCK-BOOST-TPS61023

  是输入电容,用于改善稳压器的线路瞬态响应和电源EMI。若输入电源与电源芯片较远,则需要额外增加大容量钽电容或电解电容;若使用高阻抗源工作,建议增大输入电容容值

  是输出电容,增大电容可以减小瞬态响应过冲和增加瞬态响应时间,在轻负载电流下,输出电压纹波取决于输出电容容值,较大的输出电容可以降低输出电压纹波,但大容值也带来大漏电流会增大

  4、总结

  在DC-DC中电容的选型,重点关注电容的六个参数以及规格书的推荐

  ,容值

  ,等效直流阻抗

  ,耐压值

  ,器件封装

  ,温度特性

  ,电容精度

  电容的作用:

  ①隔直:阻止直流信号而让交流信号通过(音频信号、纹波测量)

  ②滤波:滤除杂波

  ③储能:当负载变化过快时,及时补偿,维持电压稳定

  ④旁路:针对输入信号,滤除高频噪声,容值一般根据谐振频率,0.01~0.1uF

  ⑤去耦:针对输出信号,滤除低频噪声,容值一般10uF及以上
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