常用电容的选用基本规则
1. 常用电容的特点和选用原则
对于电解电容来说,铝电解电容是最普遍的廉价电容,低频大电流滤波、信号都可以使用。由于工艺的原因,铝电解电容的损耗角温度系数较大,在-55℃~85℃范围内,变化达3倍以上,对于电源滤波有较大影响。从理论上来说,钽电解电容可以替代铝电解电容,指标更好一些,特别是损耗角温度系数很小,在-55℃~85℃范围内基本不变,但是钽电解电容的价格是铝电解电容的数倍。
所以,在要求不高的地方,尽可能使用铝电解电容,即使是宽温情况下,只要PCB空间允许,可以并联多个铝电解电容来解决铝电解电容的损耗角温度系数较大的问题。但是在体积有限制的情况下,钽电解电容是较好的选择。另外,在长时间积分电路上,由于钽电解电容的漏电小,使用更常见。
对于非电解电容来说,目前瓷片电容、金属化电容和聚酯薄膜电容使用最普遍,其中瓷片电容是廉价电容,广泛用于电源滤波和信号处理。聚酯薄膜电容作为高级电容,在要求严格的地方代替瓷片电容用于电源滤波和信号处理,特别是用于高保真音响电路和要求稳定的模拟信号滤波等处理方面。金属化电容主要用于较高电压下的电源滤波和信号处理。
2.电源滤波
对于电源滤波,需要分为两种情况讨论,一种是线性电源滤波,另一种是开关电源滤波。当然对于交流滤波与直流滤波也不同。
线性电源滤波(以桥式整流输出滤波为例),特点是脉动电流较小,频率较低,这样对电容的选用要求稍低一些。这时,即使电容的损耗角较大,由于频率低、脉动电流较小,电容发热不大,没有影响。滤波电路一般采用电解电容与非电解电容并联的方式,其中电解电容滤除低频交流,非电解电容滤除高频交流。在工频常温下,铝电解电容的容量与输出电流的关系基本可以取每安培1000uF;对于宽温或是要求纹波较小时,电容量需要成倍增大或是改用LC滤波。
另外,对于线性电源的电容的耐压方面,一般只需要考虑预留40%即可,对于外部电源电压波动较大时,需要按照最大电压来考虑预留耐压范围。
开关电源滤波(以输出滤波为例),特点是脉动电流较大,频率较高,这样对电容的选用要求较高。这时,希望电容的损耗角较小,这样电容的内阻较小,还需要采用多个电容并联的办法,进一步降低内阻,这样对于频率高、脉动电流较大时,电容发热可以控制在一定范围内,没有影响;同时还要注意采用漏电小的电容,减小温升。滤波电路一般采用多个电解电容与非电解电容并联的方式,其中电解电容滤除低频交流,非电解电容滤除高频交流。电解电容的容量需要根据实际电路计算;对于宽温或是要求纹波较小时,电容量需要成倍增大或是改动电感参数。
对于小功率开关电源,滤波元件的要求可以降低一些,可以通过采用更大容量的电容解决纹波问题。
另外,对于开关电源的电容的耐压需要根据实际计算得到理论值,然后在考虑预留40%即可,对于外部电源电压波动较大时,需要按照最大电压来考虑预留耐压范围。
若是采用钽电解电容,需要预留更大的裕量,一般需要达到50%以上。
需要注意的是,耐压等级的提高对成本影响极大,超过了容量对成本的影响,例如从25V电压等级提高到35V电压等级时,成本增加一倍;而由100μF增加为220μF时,成本增加50%,所以不能过分提高电压等级。
另外,对于大规模高频、高速集成电路,对电容的要求较高。例如高速DSP或是FPGA等芯片,它的核电压一般在1~1.5V之间,允许纹波一般在60mV以内;它的IO电压一般在1.8~3.3V之间,允许纹波一般在360mV以内;并且采用数十个电源脚。这里需要对每个电源脚用一个帖片高频电容就近滤波。
3. 信号处理
在信号处理中,涉及的信号种类和频率跨度非常大,从直流直到数十千兆。不同频段对电容的要求不同,不同信号对电容的要求也不同。为了简化考虑,本节仅仅涉及较常用的中低频部分。
信号处理包含的范围很大,这里仅仅涉及信号滤波、信号源等等。
对于信号滤波、信号源,一般要求电容的绝缘电阻大、漏电流小、损耗角小、温度系数小。电容的绝缘电阻大、漏电流小才能保证理论置于实际值尽可能接近;损耗角小才能保证内阻小,尽可能接近理想电容;温度系数小才能保证电路参数稳定。
在信号频率较低,确实需要大于1uF以上的电容时,需要选用电解电容,适当考虑电容的漏电问题,比如限制电容量和限制匹配电阻来减小电容漏电的影响。也可以考虑漏电较小的钽电容。
当可以不电容小于1uF时,一般选用非电解电容,例如高频瓷片电容、聚脂薄膜电容等等。这两种电容的工作频率范围相当宽。一般情况下使用瓷片电容,在严格要求稳定的地方,使用聚脂薄膜电容。
对于多级信号放大器的级间交流耦合电容参考上述规则进行。
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