電磁場與微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

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1、電源設(shè)計(jì)中的電容應(yīng)用實(shí)例時(shí)間:2011-07-01235次閱讀【網(wǎng)友評論0條我要評論】收藏電源往往是我們在電路設(shè)計(jì)過程中最容易忽略的環(huán)節(jié)。其實(shí),作為一款優(yōu)秀的設(shè)計(jì),電源設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)是很重要的,它很大程度影響了整個(gè)系統(tǒng)的性能和成本。這里,只介紹一下電路板電源設(shè)計(jì)中的電容使用情況。這往往又是電源設(shè)計(jì)中最容易被忽略的地方。很多人搞ARM,搞DSP,搞FPGA,乍一看似乎搞的很高深,但未必有能力為自己的系統(tǒng)提供一套廉價(jià)可靠的電源方案。這也是我們國產(chǎn)電子產(chǎn)品功能豐富而性能差的一個(gè)主要原因,根源是研發(fā)風(fēng)氣吧,大多研發(fā)工程師毛燥、不踏實(shí);而公司為

2、求短期效益也只求功能豐富,只管今天殺雞飽餐一頓,不管明天還有沒有蛋,“路有餓死骨”也不值得可惜。言歸正轉(zhuǎn),先跟大家介紹一下電容。大家對電容的概念大多還停留在理想的電容階段,一般認(rèn)為電容就是一個(gè)C。卻不知道電容還有很多重要的參數(shù),也不知道一個(gè)1uF的瓷片電容和一個(gè)1uF的鋁電解電容有什么不同。實(shí)際的電容可以等效成下面的電路形式:C:電容容值。一般是指在1kHz,1V等效AC電壓,直流偏壓為0V情況下測到的,不過也可有很多電容測量的環(huán)境不同。但有一點(diǎn)需注意,電容值C本身是會隨環(huán)境發(fā)生改變的。ESL:電容等效串聯(lián)電感。電容的管腳是存在

3、電感的。在低頻應(yīng)用時(shí)感抗較小,所以可以不考慮。當(dāng)頻率較高時(shí),就要考慮這個(gè)電感了。舉個(gè)例子,一個(gè)0805封裝的0.1uF貼片電容,每管腳電感1.2nH,那么ESL是2.4nH,可以算一下C和ESL的諧振頻率為10MHz左右,當(dāng)頻率高于10MHz,則電容體現(xiàn)為電感特性。ESR:電容等效串聯(lián)電阻。無論哪種電容都會有一個(gè)等效串聯(lián)電阻,當(dāng)電容工作在諧振點(diǎn)頻率時(shí),電容的容抗和感抗大小相等,于是等效成一個(gè)電阻,這個(gè)電阻就是ESR。因電容結(jié)構(gòu)不同而有很大差異。鋁電解電容ESR一般由幾百毫歐到幾歐,瓷片電容一般為幾十毫歐,鉭電容介于鋁電解電容和瓷

4、片電容之間。下面我們看一些X7R材質(zhì)瓷片電容的頻率特性:當(dāng)然,電容相關(guān)的參數(shù)還有很多,不過,設(shè)計(jì)中最重要的還是C和ESR。下面簡單介紹一下我們常用到的三種電容:鋁電解電容,瓷片電容和鉭電容。1)鋁電容是由鋁箔刻槽氧化后再夾絕緣層卷制,然后再浸電解質(zhì)液制成的,其原理是化學(xué)原理,電容充放電靠的是化學(xué)反應(yīng),電容對信號的響應(yīng)速度受電解質(zhì)中帶電離子的移動速度限制,一般都應(yīng)用在頻率較低(1M以下)的濾波場合,ESR主要為鋁萡電阻和電解液等效電阻的和,值比較大。鋁電容的電解液會逐漸揮發(fā)而導(dǎo)致電容減小甚至失效,隨溫度升高揮發(fā)速度加快。溫度每升高

5、10度,電解電容的壽命會減半。如果電容在室溫27度時(shí)能使用10000小時(shí)的話,57度的環(huán)境下只能使用1250小時(shí)。所以鋁電解電容盡量不要太靠近熱源。2)瓷片電容存放電靠的是物理反應(yīng),因而具有很高的響應(yīng)速度,可以應(yīng)用到上G的場合。不過,瓷片電容因?yàn)榻橘|(zhì)不同,也呈現(xiàn)很大的差異。性能最好的是C0G材質(zhì)的電容,溫度系數(shù)小,不過材質(zhì)介電常數(shù)小,所以容值不可能做太大。而性能最差的是Z5U/Y5V材質(zhì),這種材質(zhì)介電常數(shù)大,所以容值能做到幾十微法。但是這種材質(zhì)受溫度影響和直流偏壓(直流電壓會致使材質(zhì)極化,使電容量減小)影響很嚴(yán)重。下面我們看一下

6、C0G、X5R、Y5V三種材質(zhì)電容受環(huán)境溫度和直流工作電壓的影響??梢钥吹紺0G的容值基本不隨溫度變化,X5R穩(wěn)定性稍差些,而Y5V材質(zhì)在60度時(shí),容量變?yōu)闃?biāo)稱值的50%。可以看到50V耐壓的Y5V瓷片電容在應(yīng)用在30V時(shí),容量只有標(biāo)稱值的30%。陶瓷電容有一個(gè)很大的缺點(diǎn),就是易碎。所以需要避免磕碰,盡量遠(yuǎn)離電路板易發(fā)生形變的地方。3)鉭電容無論是原理和結(jié)構(gòu)都像一個(gè)電池。下面是鉭電容的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖:鉭電容擁有體積小、容量大、速度快、ESR低等優(yōu)勢,價(jià)格也比較高。決定鉭電容容量和耐壓的是原材料鉭粉顆粒的大小。顆粒越細(xì)可以得到越大

7、的電容,而如果想得到較大的耐壓就需要較厚的Ta2O5,這就要求使用顆粒大些的鉭粉。所以體積相同要想獲得耐壓高而又容量大的鉭電容難度很大。鉭電容需引起注意的另一個(gè)地方是:鉭電容比較容易擊穿而呈短路特性,抗浪涌能力差。很可能由于一個(gè)大的瞬間電流導(dǎo)致電容燒毀而形成短路。這在使用超大容量鉭電容時(shí)需考慮(比如1000uF鉭電容)。從上面可以了解到不同的電容有不同的應(yīng)用場合,并不是價(jià)格越高越好。下面講一下電源設(shè)計(jì)中電容的作用。在電源設(shè)計(jì)應(yīng)用中,電容主要用于濾波(filter)和退耦/旁路(decoupling/bypass)。濾波主要指濾除

8、外來噪聲,而退耦/旁路(一種,以旁路的形式達(dá)到退耦效果,以后用“退耦”代替)是減小局部電路對外的噪聲干擾。很多人容易把兩者搞混。下面我們看一個(gè)電路結(jié)構(gòu):圖中開關(guān)電源為A和B供電。電流經(jīng)C1后再經(jīng)過一段PCB走線(暫等效為一個(gè)電感,實(shí)際用電磁波理論分析這種等效是有

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