[1kv103m瓷电容器的作用]了解瓷电容器、钽电容器、电解电容器的不同

作者:以沫      发布时间:2021-04-15      浏览量:0
电源是我们在电路设计过程中最容易忽视的一

电源是我们在电路设计过程中最容易忽视的一环。其实,作为优秀的设计,电源设计很重要,对系统整体的性能和成本有很大影响。

在此,只介绍路板电源设计中的电容器使用情况。这往往是电源设计中最容易被忽视的地方。很多人做ARM,做DSP,做FPGA,乍一看似乎很深,但不一定有能力为自己的系统提供廉价可靠的电源方案。这也是我们国产电子产品功能丰富性能差的主要原因之一,是研究开发风气吧。很多研究开发工程师都很干燥,不稳定的公司为了追求短期利益也只追求功能丰富,今天杀鸡吃饭,明天吃鸡蛋也不遗憾。

语言正转,首先介绍电容器。

电容器的概念大多停留在理想的电容器阶段,电容器被认为是c。但是,我不知道电容器有很多重要参数,也不知道1uf的瓷器电容器和1uf的铝电解电容器有什么区别。实际容量可以等效成以下电路形式:

C:容量值。一般来说,1kHz、1V等有效的AC电压、直流偏压为0V时测定,但电容量测定的环境也不同。但是,请注意电容量值c本身会随环境而变化。

ESL:电容器等效串联电感器。电容器的脚有电感。低频应用时感觉小,可以不考虑。频率高时,必须考虑这种电感。例如,0805封装的0.1uf芯片电容器,每个脚的电感器为1.2nH,ESL为2.4nH,C和ESL的共振频率为10MHz左右,频率超过10MHz时,电容器表现为电感器特性。

ESR:电容器等效串联电阻。任何电容器都有等效串联电阻,当电容器工作在谐振点频率时,电容器的容量抵抗和感应大小相等,因此等效成为电阻,该电阻为ESR。电容器的结构有很大差异。铝电解电容器ESR一般从数百毫欧到数欧,瓷器电容器一般为数十毫欧,钽电容器介于铝电解电容器和瓷器电容器之间。

以下是X7R材质瓷器容量的频率特性:

当然,容量相关的参数还很多,但设计中最重要的是c和ESR。

以下简要介绍我们常用的三种电容器:铝电解电容器、瓷片电容器和钽电容器。

1)铝电容器由铝箔雕刻槽氧化后夹住绝缘层卷起,浸泡电解质液制成,其原理是化学原理,电容器的充放电是化学反应电容器对信号的反应速度受电解质带电离子的移动速度限制,一般应用于频率低(1M以下)的过滤场合,ESR主要是铝电阻和电解液等效电阻的和值大。铝容量的电解液挥发,容量减少或失效,随着温度的上升挥发速度加快。温度每上升10度,电解电容器的寿命减半。电容器在室温27度时可以使用10000小时,在57度的环境下只能使用1250小时。因此,铝电解电容器尽量不要接近热源。

2)瓷片电容器的保管电依赖于物理反应,因此响应速度高,可应用于上g的场合。然而,由于介质不同,瓷片电容器也有很大差异。性能最好的是C0G材质的容量,温度系数小,但材质的介电常数小,容量值不太大。性能最差的是Z5U/Y5V材质,该材质介电常数大,容量值可达数十微法。但是,该材质受温度的影响和直流偏压(直流电压使材质极端化,电容量减少)的影响很大。让我们看看C0G、X5R和Y5V三种材料的电容器受环境温度和直流工作电压的影响。

C0G的容量几乎不会随温度的变化而变化,X5R的稳定性稍差,Y5V材质为60度时容量为标称值的50%。

50V耐压的Y5V瓷片电容器在应用30V时,容量只有称值的30%。陶瓷电容器有易碎的大缺点。因此,有必要避免碰撞,尽量远离电路板容易变形的地方。

3)钽电容器原理和结构都像电池。以下是钽电容器内部结构示意图:

钽电容器具有体积小、容量大、速度快、ESR低等优点,价格也高。决定钽电容和耐压的是原材料钽粉粒的大小。粒子越细,就越能得到大的电容器,如果想得到大的耐压性,就需要厚的Ta2O5,需要使用粒子大的钽粉。因此,很难获得相同体积的高耐压和大容量钽电容器。钽电容器需要注意的另一点是,钽电容器容易破坏,具有短路特性,抗浪涌能力差。大瞬间电流烧毁电容器形成短路的可能性很高。这在使用超大容量钽电容器时需要考虑(例如1000uF钽电容器)。

从上面可以看出,不同的电容器有不同的应用场合,价格越高越好。以下是电源设计中电容器的作用。

在电源设计应用中,电容器主要用于过滤器和结合/旁路。过滤器主要是过滤除外的噪音,而结合/旁路(一种是以旁路的形式达到结合效果,然后用结合代替)减少局部电路对外的噪音干扰。很多人容易混淆两者。让我们看看电路结构。

图中开关电源为a和b供电。电流通过C1后,通过PCB走线(暂时效果为电感,实际用电磁波理论分析这种等效果是错误的,但为了容易理解,采用这种等效方式。)分两条路分别供应给a和b。开关电源的波纹较大,因此使用C1过滤电源,为a和b提供稳定的电压。C1需要尽可能接近电源。C2和C3都是旁路电容器,起着结合作用。a在某一瞬间需要大电流时,如果没有C2、C3,由于线路电感的原因a方的电压会变低,b方的电压也会受到a方的电压的影响而下降,因此局部回路a的电流变化会影响局部回路b的电源电压,影响b回路的信号。同样,b的电流变化也会妨碍a的形状。这就是共路耦合干扰。

增加C2后,当局部电路需要另一个瞬间的大电流时,电容C2可以为A暂时提供电流,即使公路部分的电感存在,a方的电压也不会下降太多。对b的影响也相当小。因此,通过电流旁路发挥了结合的作用。

一般过滤器主要使用大容量电容器,速度要求不快,但电容值要求大。一般使用铝电解电容器。浪涌电流小时,用钽电容器代替铝电解电容器更有效。从上面的例子可以看出,作为结合的电容器,为了取得效果需要迅速的响应速度。如果图中的局部电路a指芯片,则退耦电容器应使用瓷片电容器,电容器应尽可能接近芯片电源引脚。局部回路a是指功能模块,可以使用瓷器电容器,如果容量不足,也可以使用钽电容器或铝电解电容器(如果功能模块中的各芯片都有结合电容器-瓷器电容器)。滤波电容器的容量通常可以从开关电源芯片的数据手册中找到计算公式。滤波电路同时使用电解电容器、钽电容器和瓷片电容器时,最近可以保护电解电容器放置的离开关电源。瓷片电容器放在钽电容器后面。这样才能达到最好的滤波效果。

结合容量需要满足两个要求,一个是容量需求,另一个是ESR需求。也就是说,0.1uF的容量结合效果可能不如2个0.01uF容量效果好。另外,0.01uF容量在高频带有较低的阻抗,如果在这些频带中0.01uF容量能够满足容量需求,则比0.1uF容量具有更好的结合效果。

很多脚管多的高速芯片设计指导手册提出了电源设计对结合电容器的要求。例如,500脚以上的BGA封装要求3.3V电源至少有30个瓷器电容器,有几个大容器,总容量在200uf以上…