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行業動態  

電容的選型技巧和應用趨勢

[作者:佚名  時間:2012/6/8 9:06:55  閱讀:2116次]

    2011年,我國提供了全球近三分之一的無源元件。中國電子元器件行業協會數據顯示,中國2011年電容器銷售總額達67億美元,比2010年增長了5%。以電阻、電感、電容等為代表的被動元件從2011年以來已經開始穩中有升,平板電腦為代表的消費電子,以及受各種利好政策的積極影響的白色家電、汽車電子、手持設備等市場對被動元件需求增加,電阻、電容等市場的前景可以說十分樂觀。本期半月談將聚焦電容在不同場合的選型和應用,同時展望電容在應用市場上呈現的趨勢。

    電容有很多種命名方法,按照功能分,包括旁路電容,去耦電容,濾波電容;按照介質又可分為瓷介、薄膜介質(含多種薄膜)、鋁電解電容器……不過無論是哪種電容,它的原理都是一樣的,即利用對交流信號呈現低阻抗的特性——工作頻率越高,電容值越大則電容的阻抗越小。在電路中,如果電容起的主要作用是給交流信號提供低阻抗的通路,就稱為旁路電容;如果主要是為了增加電源和地的交流耦合,減少交流信號對電源的影響,就可以稱為去耦電容;如果用於濾波電路中,那麽又可以稱為濾波電容;除此以外,對於直流電壓,電容器還可作為電路儲能,利用充放電起到電池的作用。

    正因為電容廣泛的應用,如何選擇適合和電容器就成了許多工程師關注的話題。

電源濾波電容的選擇

    電容的阻抗與頻率成反比,所以電容可以阻擋低頻通過。電感正相反——所以二者適當組合,就可過濾各種頻率信號。如在整流電路中,將電容並在負載上或將電感串聯在負載上,可濾去交流紋波。

    由於電解電容的作用是過濾掉電流中的低頻信號,但即使是低頻信號,其頻率也分為了好幾個數量級。因此為了適合在不同頻率下使用,電解電容也分為高頻電容和低頻電容(這裏的高頻是相對而言)。

    低頻濾波電容主要用於市電濾波或變壓器整流後的濾波,其工作頻率與市電一致為50Hz;而高頻濾波電容主要工作在開關電源整流後的濾波,其工作頻率為幾千Hz到幾萬Hz。當好看电影网將低頻濾波電容用於高頻電路時,由於低頻濾波電容高頻特性不好,它在高頻充放電時內阻較大,等效電感較高。因此在使用中會因電解液的頻繁極化而產生較大的熱量。而較高的溫度將使電容內部的電解液氣化,電容內壓力升高,最終導致電容的鼓包和爆裂。

    電源濾波電容的大小,平時做設計,前級用4.7u,用於濾低頻,二級用0.1u,用於濾高頻,4.7uF的電容作用是減小輸出脈動和低頻幹擾,0.1uF的電容應該是減小由於負載電流瞬時變化引起的高頻幹擾。一般前麵那個越大越好,兩個電容值相差大概100倍左右。電源濾波,開關電源,要看你的ESR(電容的等效串聯電阻)有多大,而高頻電容的選擇最好在其自諧振頻率上。大電容是防止浪湧,機理就好比大水庫防洪能力更強一樣;小電容濾高頻幹擾,任何器件都可以等效成一個電阻、電感、電容的串並聯電路,也就有了自諧振,隻有在這個自諧振頻率上,等效電阻最小,所以濾波最好。

    電容的等效模型為一電感L,一電阻R和電容C的串聯(下圖),電感L為電容引線所至,電阻R代表電容的有功功率損耗。因而可等效為串聯LC回路求其諧振頻率,串聯諧振的條件為WL=1/WC,W=2*PI*f,從而得到此式子f = 1/(2pi* LC),串聯LC回路中心頻率處電抗最小表現為純電阻,所以中心頻率處起到濾波效果.引線電感的大小因其粗細長短而不同,接地電容的電感一般是1MM為 10nH左右,取決於需要接地的頻率。

                                        

    采用電容濾波設計需要考慮參數ESR、ESL、耐壓值和諧振頻率。

電機驅動濾波電容的選擇

    電路中濾波電容的選型需要考慮幾個方麵:電容耐壓、工作溫度、容量等。理論上說電源濾波用電容越大越好,一般大電容濾低頻波,小電容濾高頻波。為了獲得更大的濾波頻段,可以將一大一小兩個電容並聯,一般要求相差兩個數量級以上。在電源設計中,濾波電容的選取原則是C≥2.5T/R,在實際的應用中一般都選取C≥5T/R。

    以電機驅動應用中的濾波電容為例,輸入濾波電容容量的選擇和驅動器的驅動電壓、最大功率有直接關係,需要作一些計算得到如果此電容容量過少,驅動器表現為驅動力不足;而容量過大,則增加製造成本。工程應用中,有這樣的一個經驗法則:濾波電容容量數值等於驅動功率數值。但需要注意,這隻是針對單相220V交流電全波整流的驅動應用。

    首先,從電容、電阻的RC時間常數τ說起:τ越大,則R兩端的電壓越平穩,對於脈動電源,則其紋波電壓越少。在工程上,當RC時間常數滿足以下條件時,可以滿足紋波要求。T為脈動電源的周期,對於50Hz市電經全波整流後的周期T為:10mS。

    故由上兩式可以得; R為等效負載電阻; C為濾波電容容量。所以,隻要得到電機驅動器的等效負載電阻,即可算出濾波電容所需的容量大小。

運放電路中的電容選擇

    電容器在實際使用時可能是不理想的,考慮到尺寸和成本,大多數實用的、大數值的電容都是電解型的,可見,這樣的電容特別適用於濾除低頻噪聲:
Z=RC+jωLC+1/jωC。

    當頻率增加時,電解電容的容抗將降低,直到感抗等於容抗為止,取決於所用的電解電容的確切型號,它可能出現在大約1MHz的頻率處。對於高頻旁路,要求選用不同型號的電容,通常是推薦一種廉價的、小型陶瓷電容(0.01~0.1μF)。在1 MHz處,0.1μF電容的容抗是1.6Ω,但是應注意,廉價的陶瓷電容多半不都隻是 “容”性的。

    陶瓷電容有很多功用,優良NPO(負-正-零溫度係數)器件有±30p pm/℃的溫度係數,並且相對較便宜。但是陶瓷電容不是靈丹妙藥,取決於用作結構材料的陶瓷介質成分,它們有0.1%到1%,甚至更多的介質吸收(D.A.)作用。介質吸收其實就是,當快速充電和放電時,吸入到介質內的電荷不能馬上加到電容上或從電容上離開。這種效應在有很多通道的數據收集係統中是有害的。在轉換以前,這些通道裏都有由采樣-保持電路采集的各種各樣的數據,在 最大階躍的最壞情形中,由保持電容的介質吸收引起的誤差,等於介質吸收能力 。

    由於正在測量的電壓和以前測量的電壓之間的差值決定了介質吸收指數所要乘的係數,所以對這個誤差源做快速校正是不可能的。唯一的解決辦法是使用一個介質吸收低於最大可允許誤差的電容器。

電容器的應用趨勢

    電容經過發展,目前體現出了以下趨勢:片式多層瓷介電容器占主要比例,鉭電解電容器急劇增長,鋁電解電容器和薄膜介質電容器所占比例下降,可變和微調電容器量在下降,雲母、紙介和一些有機薄膜介質、管狀瓷介等麵臨淘汰;高頻特性及耐溫不易解決和卷繞式結構的電容器下降幅度大……而在應用方麵,由於無線通信的不斷發展,3G、4G對電容器產品提出了更高的要求;醫療電子也邁向小型化和便攜化,讓電容器在醫療電子抗幹擾、穩壓等等方麵迎來了新的發展……

    小型化加速多層陶瓷電容發展。移動電話、計算機、數碼相機、汽車等領域大量使用多層陶瓷電容,但近年來數字產品的技術進步對陶瓷電容提出了新要求。例如,移動電話的迅猛發展要求更高的傳輸速率和更高的性能。在基帶中,為了滿足TV、視頻、遊戲的要求,需要高速度、低電壓的處理器;LCD模塊要求低厚度(0.5mm)、大容量電容;PA模塊則期待小型化的產品。自2011開始,高端機頂盒(STB)、高清電視和汽車電子產品正在成為電容器生產線的主要驅動力。手機、無線網卡和SD卡等小型設備將刺激多層陶瓷電容器(MLCC)的增長,進一步推動小型化趨勢。

    新能源汽車、光伏、LED照明等節能領域的蓬勃發展推動電容的廣泛應用。電動汽車、風力、太陽能發電推動了阻容的使用。風能發電電源管理係統的時候,選型時主要考慮高電壓、大容值的電容器,產生很大的產品需求。比如風能產品係統,有三處運用電容器到這個產品中,第一個可以選用薄膜電容器做高電壓吸收的應用;還有一個是DC- LINK,DC-DC轉換過程中,起濾波儲能的作用;還有並網的時候還有抗幹擾的電容。

    以鋁電解電容為例,在換混合動力、電動汽車的電池充電、電壓轉換、逆變器等電路中,對鋁電解電容的需求越來越高,而鋁電解電容也是風電、光伏應用中逆變、變壓模塊不可或缺的部分,到2015年市場規模有望達到55億元。

    LED照明方案中,對LED燈的使用壽命影響最大的器件就是去耦電容器。雖然無電解電容的LED照明方案也已經推出,但是如果不采用電解電容,LED驅動器的設計會變得非常昂貴。在低功率水平上,通過用陶瓷電容取代電解電容可以解決這一問題,而在高品質光源燈具上,電解電容是難以去除的。在高品質光源燈具上,電解電容是難以去除的。事實上,如果電解電容質量很好,可以達到105攝氏度的工作溫度和10000小時額定工作時間,就沒有必要將電解電容從LED驅動設計中去除。

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