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滤波电容的选择

(2011-08-11 15:40:40)
标签:

滤波电容器

电流

铝电解电容器

电容量

额定电压

杂谈

分类: 电容,电阻,晶振

交流

 

 28V.png
以这个图计算,理想22V(RMS) 50HZ交流电,其峰值为22*1.4142=31.11V

假设电容上的电压整个周期都在28V以上,
就是说只有蓝色-黄色之间时刻的交流电才能对电容充电,此端时间分别为

31*Sin(t/10)=28,可以得出分别为3.611ms和6.388ms,就是说此段时间为2.777mS,
就是说其余10-2.806=7.223mS为全部靠电容放电维持

放电此段时间电容上的电压从峰值31V降低到28V,dU=3.11V,假如负载电流=2.5A,

根据C=I*dt/dU 可以计算出C要5800u

但实际上这2.777ms期间并不是一直以31V的电压对电容充电,因此计算出来的电容还要更大。

 

 

 直流

 

与要求的峰-峰波动直接相关。公式为C*V=I*T
其中C为电容,V为电压,I为电流,T为半周期(稍微小一点)时间(全波整流情况下)。
假设要求Vp-p不大于5V,则
C=10A * 9m / 5V = 18mF = 18,000uF。

换句话说,每安培1000uF是最少的,稍微高一些的要求是每安培2000uF。

如图,红色是输出,电容越小掉的越厉害。
黑色为全波整流后曲线,粉色为整流管附加电流(减去了负载电流)。
 
 
铝电解电容容量比较大,主要用于滤除低频干扰。容量大约为1mA电流对应2~3μf,如过要求高的时候可以1mA对应5~6μf。无极性电容用于虑除高频信号。单独使用的时候大部分是去藕用的。有时可以与电解电容并联使用。陶瓷电容的高频特性比较好,但是在某个频率(大约是6MHz记不太清了)是容量下降的很快

有一个粗略估算公式,常用于工程计算:按RC时间常数近似等于3~5倍电源半周期估算。给出一例:
    负载情况:直流1A,12V。其等效负载电阻12欧姆。
    桥式整流:
        RC = 3 (T/2)
        C = 3 (T/2) / R = 3 x (0.02 / 2 ) / 12 = 2500 (μF)
    工程中可取2200 μF,因为没有2500 μF这一规格。若希望纹波小些,按5倍取。这里,T是电源的周期,50HZ时,T = 0.02 秒。时间的国际单位是S。
    全波整流结果一样,但半波整流时,时间常数加倍。
 
 
计算出来的容量大小如何根据ESR、ESL、IRAC、漏电大小进行修正呢?
ESR主要是在需要大电流输出的地方考虑,优先考虑ESR,然后再考虑容量。容量在这里是次要要求。
ESL主要是频率比较高的情况或者电路特性有要求的时候才会考虑,根据要求,优先ESL,如果限制了容量等其他参数,请仔细的选型,找到适合自己的电容。
IRAC 纹波电流,也是优先纹波电流值,然后再考虑容量等。和ESR类似。容量在这里属于次要要求。
漏电一般来说只要在规定范围内,就可以用,在使用的自然老化过程中,会逐步降低的。至于有严格漏电要求的,需要仔细选型才可以,在某些需要放电控制的地方,漏电过大会导致灾难性的后果。

滤波电解电容并联小电容,怎么估算分布电感、引脚电阻、ESR产生的谐振频率呢?
这些东西都是高频电路需要考虑的事情,需要详细的测试仪器来实际检测,计算的话因为参数不够,很难去计算的。
一来依靠经验,二来就要那些昂贵的仪器了。
 
 
经过整流桥以后的是脉动直流,波动范围很大。后面一般用大小两个电容

大电容用来稳定输出,众所周知电容两端电压不能突变,因此可以使输出平滑

小电容是用来滤除高频干扰的,使输出电压纯净

电容越小,谐振频率越高,可滤除的干扰频率越高

1、容量选择:

1)大电容,负载越重,吸收电流的能力越强,这个大电容的容量就要越大

2)小电容,凭经验,一般104即可

**别人的经验**


1)电容对地滤波,需要一个较小的电容并联对地,对高频信号提供了一个对地通路。


2)电源滤波中电容对地脚要尽可能靠近地。


3)理论上说电源滤波用电容越大越好,一般大电容滤低频波,小电容滤高频波。


4)可靠的做法是将一大一小两个电容并联,一般要求相差两个数量级以上,以获得更大的滤波频段.

具体案例: AC220-9V再经过全桥整流后,需加的滤波电容是多大的? 再经78LM05后需加的电容又是多大?

前者电容耐压应大于15V,电容容量应大于2000微发以上。 后者电容耐压应大于9V,容量应大于220微发以上。

2、有一电容滤波的单相桥式整流电路,输出电压为24V,电流为500mA,要求:

1)选择整流二极管;

2)选择滤波电容;

3)另:电容滤波是降压还是增压?

1)因为桥式是全波,所以每个二极管电流只要达到负载电流的一半就行了,所以二极管最大电流要大于250mA;电容滤波式桥式整流的输出电压等于输入交流电压有效值的1.2倍,所以你的电路输入的交流电压有效值应是20V,而二极管承受的最大反压是这个电压的根号2倍,所以,二极管耐压应大于28.2V

2)选取滤波电容:1、电压大于28.2V2、求C的大小:公式RC≥(3--5)×0.1秒,本题中R=24V/0.5A=48

所以可得出C≥(0.00625--0.0104F,即C的值应大于6250μF

3)电容滤波是升高电压。

滤波电容的选用原则

在电源设计中,滤波电容的选取原则是:


C2.5T/R其中: C为滤波电容,单位为UF;T为频率, 单位为Hz


R为负载电阻,单位为Ω

当然,这只是一般的选用原则,在实际的应用中,如条件(空间和成本)允许,都选取C5T/R

3、滤波电容的大小的选


PCB制版电容选择

印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时.操作它们时均会产生较大火花放电,必须采用RC吸收电路来吸收放电电流。一般R1~2kΩ,C2.2~4.7μF

一般的10PF左右的电容用来滤除高频的干扰信号,0.1UF左右的用来滤除低频的纹波干扰,还可以起到稳压的作用。滤波电容具体选择什么容值要取决于你PCB上主要的工作频率和可能对系统造成影响的谐波频率,可以查一下相关厂商的电容资料或者参考厂商提供的资料库软件,根据具体的需要选择。至于个数就不一定了,看你的具体需要了,多加一两个也挺好的,暂时没用的可以

先不贴,根据实际的调试情况再选择容值。如果你PCB上主要工作频率比较低的话,加两个电容就可以了,一个虑除纹波,一个虑除高频信号。如果会出现比较大的瞬时电流,建议再加一个比较大的钽电容。

其实滤波应该也包含两个方面,也就是各位所说的大容值和小容值的,就是去耦和旁路。原理我就不说了,实用点的,一般数字电路去耦0.1uF即可,用于10M以下;20M以上用110uF,去除高频噪声好些,大概按C=1/f 。旁路一般就比较的小了,一般根据谐振频率一般为0.10.01uF

说到电容,各种各样的叫法就会让人头晕目眩,旁路电容,去耦电容,滤波电容等等,其实无论如何称呼,它的原理都是一样的,即利用对交流信号呈现低阻抗的特性,这一点可以通过电容的等效阻抗公式看出来:Xcap=1/2лfC,工作频率越高,电容值越大则电容的阻抗越小.。在电路中,如果电容起的主要作用是给交流信号提供低阻抗的通路,就称为旁路电容;如果主要是为了增加电源和地的交流耦合,减少交流信号对电源的影响,就可以称为去耦电容;如果用于滤波电路中,那么又可以称为滤波电容;除此以外,对于直流电压,电容器还可作为电路储能,利用冲放电起到电池的作用。而实际情况中,往往电容的作用是多方面的,我们大可不必花太多的心思考虑如何定义。本文里,我们统一把这些应

用于高速PCB设计中的电容都称为旁路电容.

电容的本质是通交流,隔直流,理论上说电源滤波用电容越大越好。

但由于引线和PCB布线原因,实际上电容是电感和电容的并联电路,(还有电容本身的电阻,有时也不可忽略)这就引入了谐振频率的概念:ω=1/(LC)1/2

在谐振频率以下电容呈容性,谐振频率以上电容呈感性。

因而一般大电容滤低频波,小电容滤高频波。

这也能解释为什么同样容值的STM封装的电容滤波频率比DIP封装更高。

至于到底用多大的电容,这是一个参考





电容谐振频率


不过仅仅是参考而已,用老工程师的话说——主要靠经验。

更可靠的做法是将一大一小两个电容并联,一般要求相差两个数量级以上,以获得更大的滤波频段。

一般来讲,大电容滤除低频波,小电容滤除高频波。电容值和你要滤除频率的平方成反比。具体电容的选择可以用公式C=4Pi*Pi /(R * f * f )

电源滤波电容如何选取,掌握其精髓与方法,其实也不难。

1)理论上理想的电容其阻抗随频率的增加而减少(1/jwc),但由于电容两端引脚的电感效应

,这时电容应该看成是一个LC串连谐振电路,自谐振频率即器件的FSR参数,这表示频率大于FSR值时,电容变成了一个电感,如果电容对地滤波,当频率超出FSR,对干扰的抑制就大打折扣,所以需要一个较小的电容并联对地,可以想想为什么?原因在于小电容,SFR值大,对高频信号提供了一个对地通路,所以在电源滤波电路中我们常常这样理解:大电容虑低频,小电容虑高频,根本的原因在于SFR(自谐振频率)值不同,当然也可以想想为什么?如果从这个角度想,也就可以理解为什么电源滤波中电容对地脚为什么要尽可能靠近地了.

2)那么在实际的设计中,我们常常会有疑问,我怎么知道电容的SFR是多少?就算我知道SFR,我如何选取不同SFR值的电容值呢?是选取一个电容还是两个电容?电容的SFR值和电容值有关,和电容的引脚电感有关,所以相同容值的0402,0603,或直插式电容的SFR值也不会相同,当然获取SFR值的途径有两个,1)器件Data sheet,22pf0402电容的SFR值在2G左右, 2)通过网络分析仪直接量测其自谐振频率,想想如何量测?S21?知道了电容的SFR值后,用软件仿真,RFsim99,选一个或两个电路在于你所供电电路的工作频带是否有足够的噪声抑制比.仿真完后,那就是实际电路试验,如调试手机接收灵敏度时,LNA的电源滤波是关键,好的电源滤波往往可以改善几个dB.

 

 
 
 
4.3.1 滤波电容器额定电压的选择
滤波电容器在输入电压220V±20%或输入电压85V~265V(110V-20%~220V+20%)时的最高整流输出电压可以达到370V,因此应选择额定电压为400V的电解电容器或选择两只额定电压为200V(也可以是250V)的电解电容器串联使用.需要注意的是,尽管电解电容器的额定电压有10%左右富裕量,在上述应用场合下,从产品的安全角度考虑是不允许使用额定电压为300V或350V的电解电容器.对于带有功率因数校正的整流滤波电路,当功率因数校正电路输出电压为380V时可以选择额定电压400V电解电容器,而功率因数校正电路输出电压高于380V时则只能选择额定电压为450V的电解电容器.
4.3.2 滤波电容器电容量的选择
滤波电容器,为限制整流滤波输出电压纹波,正确选择电容量是非常重要的.通常滤波电容器的电容量在输入电压220V±20%时按输出功率选择为:不低于每瓦1μF(即:≥1μF/W),输入电压85V~265V(110V-20%~220V+20%)输入时按输出功率选择为:不低于每瓦(3~4)μF(即:≥(3~4)μF/W).滤波电容器电容量的取值依据为:在220V±20%交流输入及85V~265V交流输入的最低值时,整流输出电压最低值分别不低于200V和90V,在同一输入电压下的整流滤波输出电压分别约为:240V和115V,电压差分别为:40V和25V.每半个电源周波(10mS),整流器导电时间约2mS,其余8mS为滤波电容器放电时间,承担向负载提供全部电流,即:
 
滤波电容的选择

滤波电容的选择

即:3.6μF/W
每半个电源周波(10mS),整流器导电时间约3mS,其余7mS为滤波电容器放电时间,承担向负载提供全部电流,则:滤波电容器容量为:0.88μF/W和3.15μF/W.
以上是从滤波后的纹波电压角度考虑如何选择,如果从电解电容器的额定电流和寿命考虑则需要清楚滤波电解电容器所能承受的纹波电流和预计电容器的寿命.
4.3.3 一般铝电解电容器可以承受的纹波电流和可能出现的实际纹波电流
滤波电容的选择
滤波电容的选择

其输出有效值大约是输出电流平均值近两倍.由表4.1可以看到仅有额定电压为400V的引线式CD110型铝电解电容器的额定纹波电流在10W以下可以满足1μF/W的应用条件,其他容量,规格的电解电容器则需要(2~3)μF/W才能满足,因此,在耗电功率为150W的电视机中通常选用105℃,470μf/400V的电解电容器.更大功率的则需要(4~5)μF/W.如果不想选择大的电容量又想获得大的额定纹波电流,可以选用多只电解电容器并联的方案,如一只100μF/400V电解电容器的额定纹波电流大约为0.53A,两支并联可以达到1.06A,相当于单只330μF/400V的额定纹波电流.
如输入电压为全电压范围(AC85~264V适用于全世界各国的市电电压等级)时,对应的输出功率与输入电流间的关系为:
                                    25mA/W(4.15)
当选择3μF/W时,仅有额定电压为400V的引线式CD110型铝电解电容器的额定纹波电流在10W以下可以满足3μF/W的应用条件,其他容量,规格的电解电容器则需要(5~7)μF/W才能满足.
当然也可以选用不大于电解电容器3.5倍额定纹波电流的应用条件,以尽可能减小电解电容器的容量,所付出的代价是电解电容器的寿命明显缩短,对于适应寿命短的电子装置(如实际工作寿命短于一年)可以参用这样的选择方式.
如果整流器与滤波电容器之间接一个滤波电感.电感可以起到平滑电流的作用,可以降低流过滤波电容器的纹波电流,当滤波电感趋于无穷大时,流过滤波电容器的纹波电流为零.所以在整流器与滤波电容器间接入容量适当的电感,不仅可以明显减小流过滤波电容器的纹波电流改善滤波电容器的使用状态,还有利于提高功率因数.
以上仅为工频整流的纹波电流对滤波电解电容器工作状态和选用的影响,对于开关电源或其他开关型变换器用整流滤波电路中的电解电容器还要吸收开关变换器在开关过程产生的高频开关电流.因此,滤波电容器中不仅存在整流滤波的纹波电流,而且还存在高频开关变换电流.不同电路拓扑的开关变换器所产生的高频开关变换电流也不同.其中数全电压范围的电流断续型反激式变换器为最大,大约达到变换器输入电流平均值的1~5倍(峰值)或1~2(有效值).表4.3列出单相220V交流输入的各种变换器的高频开关变换电流有效值.
滤波电容的选择
从表4.3中可以看到电流断续比电流连续向滤波电容器索取更大的纹波电流,占空比小比占空比大向滤波电容器索取更大的纹波电流,因此,从滤波电容器角度看选用电流连续工作模式并且较大的占空比工作状态将有利于滤波电容器应用寿命的延长.
选择电解电容器时应注意:相同的额定电压,电容量不同的型号,其可承受的纹波电流是不同的.如NIPPON CHEMI-CON公司的KMR系列的120μF/400V的电解电容器可以承受的额定纹波电流为0.75A,而同样是NIPPON CHEMI-CON公司的产品:SMQ系列的120μF/400V的电解电容器可以承受的额定纹波电流则为1.02A,相差1.4倍.通常体积小的电解电容器所能承受的纹波电流比体积比较大的电解电容器所能承受的纹波电流低.在相同的额定电压,电容量的条件下,其额定纹波电流最多可以相差一半.从这些因素考虑,在选择滤波电解电容器时最好要了解所用的电解电容器的完整参数.
 
正确方法: 1:保证RC放电时间常数(滤波电容容量与功放负载阻值)远大于充电时间间隔(电网整流脉动间隔为10毫秒),例如RC>50毫秒(至100毫秒); 2:经验值:以正电源计,它必定有个额定输出电流值,以每安培3000μF来框算是非常接近的。负电源的电解电容容量与正电源的相等。

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