?大電容濾低頻,小電容濾高頻?。這一現(xiàn)象的根源在于電容器對交流信號的阻抗特性。容抗是電容器對交流信號的阻礙程度的量度。從公式中可以看出,當電容器的容量固定時,頻率越高,容抗就越小;反之,在頻率不變的情況下,電容越大,容抗就越小。特別地,對于直流信號(頻率為0),電容的容抗趨于無窮大,相當于電路中的斷路狀態(tài)?。
實際應用中的選擇
在實際應用中,選擇合適的電容容量對于濾波效果至關(guān)重要。例如,一般的10pF左右的電容用于濾除高頻的干擾信號,而0.1μF左右的電容用于濾除低頻的紋波干擾,并起到穩(wěn)壓的作用?2。在數(shù)字電路中,去耦電容通常選擇0.1μF,用于頻率低于10MHz的情況;而對于高于20MHz的頻率,則使用1到10μF的電容以去除高頻噪聲?3。
歷史背景和技術(shù)進步的影響
40年前,由于大電容的寄生電感較大,限制了其在高頻段的應用,因此需要小電容來濾除高頻信號。然而,隨著技術(shù)的發(fā)展,大電容的寄生電感問題得到了改善,使得大電容也可以用于濾除高頻信號?,F(xiàn)代電子設備中,常常在大電容旁邊并聯(lián)一個小電容來濾除高頻干擾信號,這種組合使用可以更有效地進行電源濾波?45。
從定義來講,濾波電容是指安裝在整流電路兩端用以降低交流脈動波紋系數(shù)提升高效平滑直流輸出的一種儲能器件,可分為低頻濾波電容(50Hz)和高頻濾波電容(幾千-幾萬Hz)。
對于濾波電容容值的選擇,電子工程師大都有一個共識:大電容濾低頻,小電容濾高頻。這個觀點真的正確嗎?
陳永真教授對此表示,值40年前,這種說法肯定是對的,因為那個年代,大電容體積做不小,寄生電感隨電容器長度增加。而且那個年代的電容器尺寸都相對很大。如今時代變了,大電容也可以濾高頻,再加小電容就是畫蛇添足!
電容器濾波效果受什么影響?
電容器的等效電路可以認為是LCR串聯(lián)。其中:
L是電容器的寄生電感,也就是等效串聯(lián)電感,即ESL;
C是電容器的靜電電容量;
R是電容器的等效串聯(lián)電阻,也就是ESR。
電容器的濾波是利用電容器的低阻抗來降低電容器并聯(lián)端的直流電源總阻抗,因為直流電源的交流阻抗是很大的,自身無法濾除來自負載的交流分量電流,這樣就會在直流電源端產(chǎn)生不可容忍的交流分量疊加電壓。為了不讓這個交流電流流入直流電源,需要一個低阻抗器件,同時又沒有直流電流的器件,這就是電容器。
在電子線路中,除了50Hz整流和低頻功率放大以外,1μF頂多10μF就可以很好地滿足電源旁路功能,無需并接電容量比較大的電解電容器。
因此,只要并聯(lián)的電容器阻抗?jié)M足要求就可以完成濾波要求。在很多情況下,大電容不能滿足高頻濾波要求的根本原因是,由于傳統(tǒng)的大電容的寄生電感比較大,在較高的頻段,其阻抗特性呈現(xiàn)電感特性,也就是ESL的感抗大于電容器的容抗。對于電源旁路電容器來說,ESL越小越好,認為電容器的ESL受到電容器尺寸制約,特別是電極長度的制約。這便是過往需要“小電容濾高頻”的原因。
MLCC快速發(fā)展打破了這樣的界定。MLCC可以大大地縮小電容器的ESL,例如1206貼片型電容器的ESL僅僅5nH。在低耐壓的MLCC,這個封裝可以將電容量做到10μF/25V,當然這個封裝也可以做成0.01μF/40V。如果是相同的封裝,在選擇電源旁路電容器時就沒有必要用一個0.01μF電容或0.1μF電容與10μF電容并聯(lián),完全沒有必要!
從圖中可以看到,在10MHz以下,10μF電容器的阻抗具有絕對的優(yōu)勢,而在10MHz以上10μF與0.001~0.1μF阻抗特性一樣。這就是說,如果選擇一個與小電容相同ESL低的大電容,就不再需要小電容濾波了,大電容本身就可以完成。