電容


1.電容基本公式:

         Q為電容電荷量  U為上下極板間的電壓  板間電場E=U/d

       e為介電常數  k為靜電力常量 S為兩板正對面積 d為兩板間距離

2.電容基本單位:nF 、pF、uF

     104=10*10^4 pF=0.1uF

     1F= 10^3mF = 10^6uF = 10^9nF = 10^12pF

3.電容類型如下:

 

 

 4.電容充放電模型推導:

充電:假設一個回路中僅含有電壓源Vin、電阻R、電容C 三個元件

說明:Vin --電源電壓  Vc--電容t時刻充電后的電壓

Vin=i*R+Vc  由於C=dq/du 而i=dq/dt 所以i=C*du/dt

即得:Vin=(C*dVc/dt )*R+Vc  方程兩邊同乘以dt

Vin*dt=RC*dVc+Vc*dt  左右兩邊移項得到(Vin-Vc)dt=RCdVc

—》dt/RC=dVc/(Vin-Vc) 對兩邊積分得到

t/RC=-In(Vin-Vc)+k; k可以通過初始條件來確定。已知t=0,Vc=0

代入后解得k=InVin                       若換個條件 t=0,Vc=Vo

所以最后得出t=RCIn(Vin/(Vin-Vc))        則:t=RCIn[(Vin-Vo)/(Vin-Vc)]

再推出Vin/(Vin-Vc)=exp(t/RC)  —》Vc=Vin(1-exp(-t/RC))

 

放電:回路中不再有電壓源Vin對電路進行充電,回路中只有電阻R和電容C

說明:Vin -– 電容上初始電壓  Vc—電容t時刻放電后的電壓

    i*R+Vc=0 引用上面部分推導直接寫出:

(C*dVc/dt)*R+Vc=0  —》RCdVc/Vc=-dt對兩邊進行積分得到

RC*InVc=-t +k  —》 代入初始條件 t=0 ,Vc=Vin

代入后得到:k=RCInVin   Vc=Vin * exp(-t/RC)

 

5.穩壓電路濾波電容計算

一般來說喜歡把充放電公式里面的RC稱為 即為時間常數

RC= *  = *  =

對於穩壓電源的濾波電容來說,有如下關系式子

Tk=RL*C>=(3~5) 

在這個式子中,RL是等效負載電阻,近似等於輸出電壓UL除以輸出電流IL;

T為工頻周期 ,對於50HZ交流電來說 其數值為0.02s

 

接下來解釋下3到5倍T/2由來

 

 

上圖中圖1為整流后的電壓,注意到其脈動直流的脈動周期為10ms,也就是半個工頻周期,

圖3是完整的串聯穩壓電路,圖4是將調整電路忽略掉,並且將C2和C1合並為C的電路。用意在於這樣合並是因為計算濾波電容時考慮的是總體的等效負載電阻。

 

圖4看到,電容C和負載電阻RL構成了積分電路,由於充電曲線相對於放電曲線要短,故電容C上的電壓變化周期可按照放電曲線來考慮。

這時候我們用上上面推導的放電曲線公式:

Vc=Vin * exp(-t/RC)  => Vc=Vin * exp(-t/)

一般情況下可以認為當時間t=(3~5)時候,電容上電壓基本放完

例如當t=3τ和5τ時候:

Vc=Vin*exp(-3)=0.050Vc

Vc=Vin*exp(-5)=0.00674Vc  一般為了取得好的效果,總是留有余量會取值為4τ、5τ

最后舉個例子:

設輸出電壓為15V,輸出電流為500mA,當取4τ時候,T取1/50

RL*C>=4* =>  * C>=4*  => C>=2*T*IL/UL=1.3*F

 

6.電容的實際等效模型

 

其中:ESR為電容的串聯電阻  C為理想的電容  ESL為電容管腳、封裝、接插件電感的和

實際的電容並不是理想,表現為:

a.電容具有引腳電感,當頻率高到一定的值后會使得電容的阻抗增加;

b.電容具有ESR,這也會降低電容的性能;

c.電容有溫度特性,隨着溫度的改變,電容的介質屬性會變化並引起容值的變化;

d.電容的容值會由於介質老化而慢慢變化;

e.電容過壓會爆炸。

 

當選擇去耦電容時,充分理解上述非理想性是很重要的,串聯電感和ESR的影響可以計算得到,關於溫度特性、老化特性和電壓范圍只能由生產廠家提供詳細資料

 

7. 去耦電容的去耦時間的計算

 

 

本文從另外一個更直觀的角度來說明去耦電容的這種特性,即電容的去耦時間。穩壓電源以及去耦電容是構成電源系統的兩個重要部分。對於,現在芯片的速度越來越快,尤其對於高速處理芯片,負載芯片的電流需求變化也是非常快。內部晶體管開關速度極快。

例如,處理芯片內部有2000個晶體管同時發生狀態翻轉,轉換時間是1ns,總電流需求為600mA。

這就意味着,電源系統必須再1ns時間內補足600mA瞬態電流。但是,對於目前的穩壓源系統來說,在這么短的時間內並不能反應過來,相對於快速變化的電流,穩壓源明顯滯后了。根據一般經驗來說,穩壓源的頻率響應為幾百K左右,因為在時域系統里,1/100KHz=10us,也就是說,穩壓源最快的響應時間為10us,無法在1ns時間里得到響應。這樣的后果是,負載還在嗷嗷待哺等待電流,穩壓源卻無法及時提供電流,總功率一定,電流增大了,於是電壓就會被拉下來,造成了軌道塌陷,因此噪聲就產生了。

 

如何解決呢?方法是並聯不同容值的電容器。因為,穩壓源需要10us才能反應過來,所以在0-10us的時間里也不能干等着,需要用恰當的電容來補充。

 

比如按照50mohm的目標阻抗,可以計算出電容:

 

C=1/(2*PI*f*Z)=31.831uf

 

而電容的最高頻率同時可以計算出來,假設ESL為5nH,所以有f=Z/(2*PI*ESL)=1.6MHz。

 

也就是說加入31.831uf的電容,可以提供100KHz到1.6MHz頻段的去耦。另外,1/1.6MHz=0.625us,這樣一來,0.625us到10us這段時間電容能夠提供所需要的電流。10us之后,穩壓源能夠提高需要的穩定電流。

 另外,加上一個大電容並不能滿足要求,通常還會放一些小電容,例如15個0.22uf的電容,可以提供高至100MHz的去耦,這些小電容的最快反應時間是1/100MHz=1ns,因此,這些電流能夠保證1us之后的電流需求。

 


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