در فرآیند ساخت منبع تغذیه سوئیچینگ، خازن فیلتر چگونه باید به درستی انتخاب شود؟

در فرآیند ساخت منبع تغذیه سوئیچینگ، خازن فیلتر چگونه باید به درستی انتخاب شود؟

خازن فیلتر نقش بسیار مهمی در منبع تغذیه سوئیچینگ دارد. نحوه انتخاب صحیح خازن فیلتر مخصوصا انتخاب خازن فیلتر خروجی مشکلی است که هر مهندس و تکنسینی به شدت نگران آن است. ما می‌توانیم خازن‌های مختلفی را در مدار فیلتر قدرت ببینیم، 100uF، 10uF، 100nF، 10nF با مقادیر خازن متفاوت، پس چگونه این پارامترها تعیین می‌شوند؟ به من نگویید که من نمودار شماتیک دیگری را کپی کردم، خخخخ.

برای خازن های الکترولیتی معمولی که در مدارهای فرکانس توان 50 هرتز استفاده می شوند، فرکانس ولتاژ ضربان دار تنها 100 هرتز است و زمان شارژ و دشارژ در حد میلی ثانیه است. برای به دست آوردن یک ضریب ضربان کوچکتر، ظرفیت خازنی مورد نیاز به اندازه صدها هزار میکروF است. بنابراین، هدف خازن های الکترولیتی آلومینیومی با فرکانس پایین معمولی افزایش ظرفیت خازنی است. پارامترهای اصلی جوانب مثبت و منفی. با این حال، خازن الکترولیتی فیلتر خروجی در منبع تغذیه سوئیچینگ دارای فرکانس ولتاژ موج دندانه اره ای به اندازه ده ها کیلوهرتز یا حتی ده ها مگاهرتز است. در این زمان، ظرفیت شاخص اصلی نیست. استاندارد اندازه‌گیری کیفیت خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی فرکانس بالا، ویژگی‌های امپدانس - فرکانس است، لازم است امپدانس کمتری در فرکانس کاری منبع تغذیه سوئیچینگ داشته باشد و در عین حال فیلتر مناسبی داشته باشد. اثر بر روی سنبله های فرکانس بالا که هنگام کار دستگاه نیمه هادی ایجاد می شود.

خازن های الکترولیتی با فرکانس پایین معمولی شروع به نشان دادن القایی در حدود 10 کیلوهرتز می کنند که نمی تواند الزامات منابع تغذیه سوئیچینگ را برآورده کند. خازن الکترولیتی آلومینیومی با فرکانس بالا که به منبع تغذیه سوئیچینگ اختصاص داده شده است دارای چهار پایانه است. دو سر ورق آلومینیوم مثبت به ترتیب به عنوان الکترود مثبت خازن و دو سر ورق آلومینیوم منفی نیز به ترتیب به عنوان الکترود منفی کشیده می شوند. جریان از یک پایانه مثبت خازن چهار ترمینالی وارد می شود، از داخل خازن می گذرد و سپس از پایانه مثبت دیگر به بار می رسد. جریان برگشتی از بار نیز از یک پایانه منفی خازن وارد می شود و سپس از پایانه منفی دیگر به قطب منفی منبع تغذیه جریان می یابد.

از آنجایی که خازن چهار ترمینال دارای ویژگی های فرکانس بالا است، وسیله ای بسیار مطلوب برای کاهش مولفه ضربان دار ولتاژ و سرکوب نویز سنبله سوئیچینگ فراهم می کند. خازن های الکترولیتی آلومینیومی فرکانس بالا نیز شکل چند هسته ای دارند، یعنی فویل آلومینیومی به چند بخش کوتاه تر تقسیم می شود و چندین لید به صورت موازی به هم متصل می شوند تا جزء امپدانس را در راکتانس خازنی کاهش دهند. و استفاده از مواد با مقاومت کم به عنوان پایانه های خروجی، توانایی خازن را برای مقاومت در برابر جریان های زیاد بهبود می بخشد.

برای اینکه مدارهای دیجیتال پایدار و قابل اطمینان کار کنند، منبع تغذیه باید "تمیز" باشد و دوباره پر کردن انرژی باید به موقع باشد، یعنی فیلتر کردن و جداسازی باید خوب باشد. به عبارت ساده، فیلتر کردن و جداسازی، ذخیره انرژی در زمانی است که تراشه به جریان نیاز ندارد، و من می توانم در زمان نیاز به جریان انرژی را دوباره پر کنم. به من نگویید که این مسئولیت برای DCDC و LDO نیست؟ بله، در فرکانس های پایین آنها می توانند آن را مدیریت کنند، اما سیستم های دیجیتال با سرعت بالا متفاوت هستند.

بیایید ابتدا نگاهی به خازن بیاندازیم. وظیفه خازن صرفاً ذخیره شارژ است. همه ما می دانیم که فیلتر خازن باید به منبع تغذیه اضافه شود و یک خازن {0}}.1uF روی پایه برق هر چیپ برای جداسازی و غیره قرار داده شود. چرا من می بینم که خازن در کنار پایه پاور برخی از تراشه های برد 0.1uF یا 0.01uF است بله، چه فایده ای دارد؟ برای درک این حقیقت، باید ویژگی های واقعی خازن ها را درک کنیم. یک خازن ایده‌آل فقط یک ذخیره‌سازی شارژ است، یعنی C. با این حال، خازن واقعی تولید شده چندان ساده نیست. هنگام تجزیه و تحلیل یکپارچگی منبع تغذیه، مدل خازن رایج مورد استفاده در شکل زیر نشان داده شده است.

در شکل ESR مقاومت سری خازن، ESL اندوکتانس معادل سری خازن و C خازن ایده آل واقعی است. ESR و ESL توسط فرآیند ساخت و مواد خازن تعیین می شوند و قابل حذف نیستند. این دو مورد چه تاثیری روی مدار دارند. ESR بر ریپل منبع تغذیه تأثیر می گذارد و ESL بر ویژگی های فرکانس فیلتر خازن تأثیر می گذارد.

ما می دانیم که راکتانس خازنی Zc=1/ωC خازن، راکتانس القایی Zl=ωL سلف، (ω=2πf)، و امپدانس مختلط خازن واقعی Z=ESR به علاوه jωL-1/jωC=ESR به علاوه j2πf L-1/j2πf c است. مشاهده می شود که وقتی فرکانس بسیار پایین باشد، ظرفیت خازن نقش دارد و زمانی که فرکانس تا حد معینی بالا باشد، نمی توان نقش اندوکتانس را نادیده گرفت و زمانی که فرکانس بالاتر باشد، اندوکتانس یک مقدار را ایفا می کند. نقش رهبری. خازن اثر فیلترینگ خود را از دست می دهد. بنابراین به یاد داشته باشید، زمانی که فرکانس بالا است، خازن فقط یک خازن نیست.

همانطور که در بالا ذکر شد، اندوکتانس سری معادل خازن توسط فرآیند ساخت و مواد خازن تعیین می شود. ESL خازن سرامیکی تراشه واقعی از چند دهم nH تا چندین nH متغیر است و هر چه بسته کوچکتر باشد ESL کوچکتر است.

از منحنی فیلتر خازن بالا نیز می توان فهمید که مسطح نیست، مانند V است، یعنی ویژگی های انتخابی فرکانس دارد و امیدواریم که تا حد امکان صاف باشد ( فیلتر کردن سطح تخته قبل از مرحله)، و گاهی اوقات می خواهید تا حد ممکن تیز باشد (فیلتر یا بریدگی). آنچه بر این مشخصه تأثیر می گذارد، ضریب کیفیت Q خازن، Q{3}}/ωCESR است، هر چه ESR بزرگتر باشد، Q کوچکتر و منحنی صاف تر است. برعکس، هرچه ESR کوچکتر باشد، Q بزرگتر و منحنی تیزتر است. معمولاً خازن‌های تانتالیوم و الکترولیت‌های آلومینیومی دارای ESL نسبتاً کوچکی هستند، اما ESR بزرگ است، بنابراین خازن‌های تانتالیوم و الکترولیت‌های آلومینیومی دارای محدوده فرکانس مؤثر گسترده‌ای هستند که برای فیلتر سطح برد جلویی بسیار مناسب است. به عبارت دیگر، یک خازن تانتالیومی با ظرفیت بالا اغلب برای فیلتر کردن در مرحله ورودی DCDC یا LDO استفاده می شود. و تعدادی خازن 10uF و 0.1uF را در نزدیکی تراشه برای جداسازی قرار دهید، خازن های سرامیکی ESR بسیار پایینی دارند.