0.前言

本章主要介紹電容相關(guān)知識(shí)以及其在電源電路中的應(yīng)用與計(jì)算。
本文同時(shí)作為《【元器件】5.電容》章節(jié)。

文章目錄

• 0.前言
• 1.電容的基礎(chǔ)知識(shí)
• • 1.1電容是什么?
  • 1.2電容器的工作原理
  • 1.3電容器的容值
  • 1.4電容器容量單位
  • 1.5電容器的分類
  • 1.6電容器的頻率特性
• 2.電容的應(yīng)用場(chǎng)景
• • 2.1開(kāi)關(guān)電源中的電容器的主要應(yīng)用場(chǎng)景
  • 2.2電容與儲(chǔ)能
  • 2.2電容與濾波
  • 2.3軟起動(dòng)電容（時(shí)域應(yīng)用）
  • 2.4相位補(bǔ)償（頻域應(yīng)用）
• 3.電容的實(shí)例計(jì)算
• • 3.1參考方案說(shuō)明
  • 3.2軟啟動(dòng)電容計(jì)算
  • 3.3Buck電路的輸入電容計(jì)算
  • 3.4開(kāi)關(guān)電源輸出電容的計(jì)算

1.電容的基礎(chǔ)知識(shí)

1.1電容是什么?

• 電容有兩個(gè)含義:
  一是電容量，指在給定電位差下的電荷儲(chǔ)藏量。這里的電容是一個(gè)物理量，指容納電荷的能力;
• 二是電容器，兩個(gè)相互靠近但不接觸的導(dǎo)體，構(gòu)成了電容器。這里的電容是一種電子元器件，可以理解為存儲(chǔ)電荷的容器。
• 本課程所謂之“電容”乃指電子元器件，即電容器。

1.2電容器的工作原理

• 在兩個(gè)電極之間施加電壓，電荷在電場(chǎng)中受力而移動(dòng)，而電極之間的介質(zhì)阻礙了電荷的移動(dòng)，導(dǎo)致電荷在此滯留。
• 換一個(gè)角度，“滯留”意味著“儲(chǔ)存”，意即電容器是存儲(chǔ)電荷的容器。
  

1.3電容器的容值

• 其中：
  ε是兩極之間的絕緣材料的介電常數(shù)
  S是電容極板的正對(duì)面積
  d為電容極板的距離
  k是靜電力常量
• 增大電容器的容量的途徑:
  使用更好的介質(zhì)
  增大兩極的正對(duì)面積
  減少兩極的距離

1.4電容器容量單位

• 一個(gè)電容器存儲(chǔ)1庫(kù)侖電量，兩極之間的電勢(shì)差是1伏，那么定義電容器的電容值是1法拉(F),C=Q/U。
• 達(dá)到法拉級(jí)別的電容，被稱為超級(jí)電容，它對(duì)標(biāo)的是電池。因此，法拉是一個(gè)較大的單位，而在日常電子電路設(shè)計(jì)中常用的電容單位是微法(uF)、納法(nF)和皮法(pF)
• 它們與法拉(F)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下:
  微法(1uF=10^-6F)
  納法(1nF=10^-9F)
  皮法(1pF=10^-12F)

1.5電容器的分類

• 電容器的種類繁多，分類方式各異。從實(shí)用的角度來(lái)分類，可以簡(jiǎn)單分為:有極性電容和無(wú)極性電容。
• 這是很重要的兩個(gè)分類方式，有極性電容(譬如，鋁電解電容、鈕電容），在應(yīng)用時(shí)務(wù)必注意，當(dāng)正負(fù)極極性接反時(shí)會(huì)導(dǎo)致器件損壞，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重后果，如鈕電容會(huì)因極性反接而產(chǎn)生明火。

鋁電解電容

• 內(nèi)含儲(chǔ)存電荷的電解質(zhì)材料，俗稱電解液
• 容量大、體積大、有極性
• 通常在電源電路或中頻、低頻電路中起電源濾波，退耦等作用

缺點(diǎn):

• 電解液易蒸發(fā)，所以壽命受溫度影響大
• ESR(等效串聯(lián)電阻)較大

鉭電容

• 全稱鈕電解電容，電解電容的一種
• 無(wú)電解液，金屬鑰做介質(zhì)，適合高溫下工作
• 容量密度高，較小體積獲得較大容量√壽命長(zhǎng)和可靠性高

相對(duì)鋁電解電容:

• 容量較小
• 價(jià)格高
• 耐電壓及電流能力較弱

固態(tài)電容

• 采用固態(tài)導(dǎo)電高分子材料取代電解液
• 大大降低ESR
• 改善溫度及頻率特性

目前商品化的固態(tài)鋁電解電容主要有兩類

• 有機(jī)半導(dǎo)電解電容oS-CON)
• 物導(dǎo)體鋁電解電容PC-CON)

有機(jī)半導(dǎo)體鋁電解電容(OS-CON)

• 結(jié)構(gòu)與液態(tài)鋁電解電容相似，多采用直插立式封裝方式。
• 使用固態(tài)的有機(jī)半導(dǎo)體浸膏替代電解液
• 提高各項(xiàng)電氣性能，有效解決電解液易蒸發(fā)、易泄漏、易燃等諸多問(wèn)題

在外觀上，區(qū)別固態(tài)電容和電解電容:

• 鋁電解電容頂部是否有“K”或“十”以及“T”等字形的壓痕槽
• 壓痕槽是為了泄壓
• 固態(tài)電容無(wú)需壓痕槽
  

聚合物導(dǎo)體鋁電解電容(PC-CON)

• 結(jié)合了鋁電解電容和鈕電容的特點(diǎn)
• 采用高電導(dǎo)率的聚合物材料作為陰極
• 片式疊層鋁電解電容器
• 在額定電壓范圍內(nèi)，無(wú)需降壓使用
• 極低的等效串聯(lián)電阻(ESR)
• 允許通過(guò)更大紋波電流
• 在高頻下，阻抗曲線呈現(xiàn)近似理想電容器特性
• 在頻率變化情況下，電容量非常穩(wěn)定
• 僅少數(shù)幾家生產(chǎn)此類電容器(松下、紅寶石、基美、國(guó)光等)
  

多層陶瓷電容器(MLCC: Multi-Layer Ceramic Capacitor)

• 無(wú)極性
• 以陶瓷作為電介質(zhì)
• 數(shù)百層不足1um的薄電介質(zhì)基板精確地疊加在一起
• 涵蓋低容值的范圍
• 實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的小型化、高性能化，尤其不可或缺
• MLCC由于施加電壓、使用溫度變化，會(huì)使靜電容量減少
  
  MLCC的溫度特性
• 按照溫度特性、材質(zhì)、生產(chǎn)工藝，MLCC分類:NPO、COG、Y5V、Z5U、X7R、X5R等。
• NPO、COG溫度特性平穩(wěn)、容值小、價(jià)格高;
• Y5V、Z5U溫度特性大、容值大、價(jià)格低;
• X7R、X5R則介于以上兩種之間。
• NPO.X7R.X5F.X5P.X5R.XRS.X5T.Y5U.Y5V.Z5U.Z5V…
  
  MLCC的噪音
• 電介質(zhì)受電壓作用發(fā)生變形(畸變)
• 施加可聽(tīng)頻率(20 Hz~20 kHz)的電壓，產(chǎn)生振動(dòng)，并且傳遞到基板，隨著振動(dòng)增強(qiáng)從而產(chǎn)生噪音。
  
  MLCC的安裝方式
• 選擇PCB彎曲或繞曲時(shí)芯片承受壓力最小的位置進(jìn)行安裝。

1.6電容器的頻率特性

• 電容器的電容值并非一成不變的，而是隨著輸入信號(hào)的頻率而發(fā)生變化的，甚至?xí)l(fā)生特性的“翻轉(zhuǎn)”，即當(dāng)信號(hào)的頻率超過(guò)諧振頻率之后，電容器將表現(xiàn)為感性。
• 通俗的理解，電容器具有“隔直通交”的特性，也就是說(shuō)電容器是對(duì)直流信號(hào)是隔斷的，而對(duì)于一定頻率的信號(hào)卻是可“直通”過(guò)去的。
  
  
  
• 實(shí)際中多大小配合使用。

2.電容的應(yīng)用場(chǎng)景

本文主要介紹開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用場(chǎng)景，其他部分應(yīng)用，可詳見(jiàn)《電容應(yīng)用分析精粹-從電容放電到高速PCB設(shè)計(jì)》一書(shū)。

2.1開(kāi)關(guān)電源中的電容器的主要應(yīng)用場(chǎng)景

電容的主要作用:

• 儲(chǔ)能
• 濾波
  電容的輔助作用:
• 時(shí)域應(yīng)用:軟啟動(dòng)
• 頻域應(yīng)用:相位補(bǔ)償

2.2電容與儲(chǔ)能

儲(chǔ)存電荷是電容器的最樸素、最原始的應(yīng)用場(chǎng)景。

儲(chǔ)能的基本要求:

• 容量大
• 內(nèi)耗小

應(yīng)用場(chǎng)景:

• 電源模塊的輸入與輸出電容

電容選擇:

• 鋁電解電容
• 鈕電容√固態(tài)電容
• 聚合物電容
• 大容量的陶瓷電容

考量指標(biāo):

• 輸出電壓紋波
• 電容的ESR

2.2電容與濾波

工作原理:

• 電容單獨(dú)使用，或與電阻、電感配合使用
• 利用電容的頻率特性(阻抗隨頻率增加而下降)，阻斷直流而導(dǎo)走一定頻率的噪音信號(hào)（隔直通交)

應(yīng)用場(chǎng)景:

• 電源模塊的輸入與輸出濾波器
• 去耦電容與旁路電容
• 信號(hào)濾波器（低通、高通、帶通等)√隔直電容

電容選擇:

• 扼流線圈+鋁電解電容
• 陶瓷電容

考量指標(biāo):

• 濾波器的截止頻率
• 電容的諧振頻率

2.3軟起動(dòng)電容（時(shí)域應(yīng)用）

• 為了保證輸出電壓溫度，輸出電容較大，但輸出電壓波動(dòng)大會(huì)產(chǎn)生較大的浪涌電流，浪涌電流可能會(huì)出發(fā)限流保護(hù)，因此為了減小浪涌電流所以需要軟起動(dòng)。
• 電容充電過(guò)程，電壓不能突變，是一個(gè)緩慢上升的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程被用于開(kāi)關(guān)電源的軟啟動(dòng)過(guò)程。

2.4相位補(bǔ)償（頻域應(yīng)用）

• 根據(jù)經(jīng)典控制理論，負(fù)反饋回路要穩(wěn)定，那么他的開(kāi)環(huán)幅頻特性在穿越0dB點(diǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)相位與180°相位偏移之間的差叫做相位裕量，此相位裕量需要大于45°；同時(shí)相位穿越180°對(duì)應(yīng)上來(lái)的增益叫做增益裕量，此增益裕量要大于6dB，如此系統(tǒng)回路才能穩(wěn)定。
• 但電源回路里用到了大電感和大輸出電容，導(dǎo)致它的相位損失比較嚴(yán)重，因此要做外部加一個(gè)相位補(bǔ)償?shù)木W(wǎng)絡(luò)，在幅頻穿越0dB附近，把相位以及增益都抬起來(lái)，使其產(chǎn)生足夠的裕量，這就是相位補(bǔ)償。
  
• 詳見(jiàn)自動(dòng)控制理論頻域補(bǔ)償校正相關(guān)知識(shí)。

3.電容的實(shí)例計(jì)算

3.1參考方案說(shuō)明

• 廠家: Allegro
• 拓?fù)?Buck
• 型號(hào): A8580

關(guān)鍵參數(shù):

• VIN=12V
• Vout=3.3
• Vlout=2.5A
• fsw=425KHZ

3.2軟啟動(dòng)電容計(jì)算

3.3Buck電路的輸入電容計(jì)算

3.4開(kāi)關(guān)電源輸出電容的計(jì)算

資料來(lái)源: 電源中的電容大小如何確定？

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【电源设计】08电源中电容大小的计算的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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