电容薄膜规测量影响因素,容器大小 -凯发k8娱乐

薄膜电容好坏检测

方法一

1.将 与电源接通,如果接通的瞬间 的指针不摆动,则说明电容器失效或断路。若表针一直指示电源电压,但是却不作摆动,表明电容器已短路。若表针摆动正常,但不返回零位,说明电容器有漏电现象。因为所指示的电压数值越高,表明漏电量越大。

2.测量容量小的电容器所用的辅助直流电压不能超过被测电容器的耐压,以免因测量而造成电容器击穿损坏。要想准确测量电容器的容量,需要采用电容电桥或q表。上述的简易检测方法,只能粗略判断压力表电容器的好坏。

3.容量大的固定电容器可用万用表的电阻档(r×1000)测量电容器两电极,看表针的摆动情况,摆幅越大,表明电容器的电容量越大。若测试棒一直碰触电容器引线,表针应指在∞附近,否则,表明该电容器有漏电现象,其电阻值越小,说明漏电量越大,则电容器质量越差。

4.在检查电容器的好坏时, 对耐压较低的电解电容器,电阻档应放在r×100或 r×1k档,把红表笔接电容器的负端,黑表笔接正端,这时万用表指针将摆动,然后恢复到零位或零位附近,这样说明电解电容器的质量是合格的。电解电容器的容量越大,充电时间越长,指针摆动得也越慢。

方法二

在没有特殊仪表仪器的条件下,电容器的好坏和质量高低可以用万用表电阻档进行检测,并加以判断。容量大(1μf以上)的固定电容器可用万用表的电阻档(r×1000)测量电容器两电极,表针应向阻值小的方向摆动,然后慢慢回摆至∞附近。接着交换测试棒再试一次,看表针的摆动情况,摆幅越大,表明电容器的电容量越大。若测试棒一直碰触电容器引线,表针应指在∞附近,否则,表明该电容器有漏电现象,其电阻值越小,说明漏电量越大,则电容器质量差;如在测量时表针根本不动,表明此电容器已失效或断路;如果表针摆动,但不能回到起始点,则表明电容器漏电量较大,其质量不佳。

方法三

必须先切断测试电路的电容,然后先释放高压电容,然后在电路中测量整流后的滤波电容(或两端有大电阻的其它电路)等电路设计。如果在电路测量中不能确定电容,则只能去除测量。

方法四

电解电容器的电容通常用万用表的r x 10、r x 100和r x 1k来测量。红黑笔与电容器负极相连(电容器应在每次测试前放电),电容器的质量可用针摆来判断。如果针向右摆动,然后慢慢回到左边,电容器通常是好的。如果摆动后的针不摆动,则意味着电容器已经断开。如果针头在针摆动后被放置回某一位置,则指示电容器已经泄漏。如果针头不摆动,则意味着电容器电解液已经干涸并失去了容量。

薄膜电容器使用出错及凯发k8娱乐的解决方案

低温下电容器内部浸渍剂的粘度增大,内部电压降低,电容器耐电能力下降。使电容器在运行中产生的热量, 能及时散发出去,降低电容器内部的介质温度,就能达到延长电容器实际使用寿命的目的。

在分断电容器组时,如果断路器发生重击穿,电容器的端子就会出现3倍、5倍、 7倍。..。的高倍数操作过电压,电容器内部就会发生强烈的局部放电和介质损伤, 导致电容器击穿。用于投切电容器的断路器的质量,与电容器的实际使用寿命是紧密相关的。国标中规定:采用适合于切合电容器的断路器,该断路器在作分断操作时,不发生可能造成过高过电压的重击穿”。

因此为了防止过大的涌流和过电压,电容器从网络中退下来后,及时对电容器放电。将电容器再次投入电网运行之前,电容器上的剩余电压不应超过其额定电压的10%。

王凯平

(常州常捷科技有限公司,江苏 常州 213031)

摘要:脉冲或交流应用的干式金属化薄膜电容器在制造过程中,介质薄膜层与层之间不可避免的存有气隙。当运行电压超过某一值时,会发生气隙电离,导致金属化镀层被蒸发而形成大小不一的电离斑点,减小了电极的有效面积,显著降低了电容量值从而影响设备的正常运行;通过等效电路的计算,提出了介质相对介电常数大小影响电容器电离电压高低的关系式,显示了在高能量密度脉冲功率电容器的研发中过度追求高介电常数介质的路径可能存在的问题;文末列举了两份实验数据,提出了解决气隙电离的参考途径。

关键词:干式金属化薄膜电容器;气隙;气隙电离;电离斑点; 电离电压; 解决途径doi:

中图分类号:tn609 ?? 文献标识码:b? ??

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? ? ? 脉冲功率电容器是新概念电磁武器包括电磁脉冲武器和电磁动能武器等的脉冲功率电源的关键件,也是激光激发核聚变系统的基础件 [1]98。从文献公开的国内外数据看,此类脉冲功率电容器的充放电寿命大多不长,在能量密度为2.0 j /cm3左右时仅数千次而已。即使美国ga公司研制的cmx型电容器在2.0 j /cm3条件下,也只能达到5万次的水平 [1]99,实用价值似乎仍然不高。正常情况下,脉冲功率电容器充放电寿命的长短是指在规定的容量衰减条件下充放电次数的多少。显然此类电容器在充放电试验或实际应用过程中必然会产生电容量的减小,这种减小会导致脉冲功率装置无法正常运行。分析其原因,电容器介质层间发生了气隙电离应该是其中之一。因此,对于干式金属化薄膜电容器而言,深入讨论研究其气隙电离的有关问题对于增加脉冲功率电容器的充放电寿命具有一定的意义。

1? 气隙电离发生的原理

? ? ? 金属化薄膜电容器在制造过程中,介质薄膜层与层之间不可避免的存在着气隙。由于薄膜厚度的不均匀,薄膜表面的不平整,甚至金属化镀层厚度和薄膜表面之间的空隙以及生产工艺等因素,这种气隙在某些位置还会比较严重。因此,金属化薄膜电容器如果无法消除这些气隙,则在脉冲或交流应用中当脉冲或交流电压超过某一水平时,上述存在的气隙会被电场击穿,发生气隙电离。电离时由于气隙“中性分子的外层电子将脱离分子的束缚”而逸出[2] ,在电容器介质薄膜和相邻一层薄膜的金属化镀层电极之间,产生带电荷的正、负离子。由于电场的作用,这些正、负离子在不同的层间分别向电容器的负、正电极运动,在和电极接触前瞬间产生放电火花,其能量蒸发掉对应位置的金属化镀层,在作为电极的金属化镀层上形成基本规则为圆形但大小不一的电离斑点。气隙电离发生的原理示意图:不均匀,薄膜表面的不平整,甚至金属化镀层厚度和薄膜表面之间的空隙以及生产工艺等因素,这种气隙在某些位置还会比较严重。因此,金属化薄膜电容器如果无法消除这些气隙,则在脉冲或交流应用中当脉冲或交流电压超过某一水平时,上述存在的气隙会被电场击穿,发生气隙电离。电离时由于气隙“中性分子的外层电子将脱离分子的束缚”而逸出[2] ,在电容器介质薄膜和相邻一层薄膜的金属化镀层电极之间,产生带电荷的正、负离子。由于电场的作用,这些正、负离子在不同的层间分别向电容器的负、正电极运动,在和电极接触前瞬间产生放电火花,其能量蒸发掉对应位置的金属化镀层,在作为电极的金属化镀层上形成基本规则为圆形但大小不一的电离斑点。气隙电离发生的原理示意见

图1?电容器介质层间发生气隙电离的原理示意

2 ??气隙电离现象的实例描述

? ? ? 发生气隙电离后的电容器,在介质薄膜电极镀层上形成电离斑点的两例状况见图2和图3。

图2 形成电离斑点的金属化薄膜图例之一

图3 形成电离斑点的金属化薄膜图例之二

? ? ? 图2是一只1000pf的圆柱形多串联电容器在10kvac电压下数分钟内迅速发生气隙电离并解剖后两层金属化薄膜的图片。图中白色条状为介质薄膜,黑色条状是薄膜上的金属化镀层,其上的白色圆点、半圆点即为金属化镀层被蒸发后的电离斑点。在电容器电极上施加10kvac电压强迫其迅速发生气隙电离时,在电容器外表面能看到放电火花,并能听到“叭叭”的放电声响。仔细观察图2可以发现,位于金属化镀层条边缘处的电离斑点大都呈半圆或大半圆形态,而且面积较大;而在金属化镀层条上的斑点则呈现圆形且面积较小。这一现象表明,在金属化镀层条的边缘,由于10nm左右的镀层厚度和薄膜表面之间形成的空隙使得该处存在较多的气隙,而相对集中的较多气隙电离增加了该处的放电能量,从而蒸发掉较大面积上的金属化镀层;而缺失的半圆部分,则是因为该处没有金属化镀层电极而不会吸引带电离子的撞击,因而不存在放电火花,也不可能出现电离斑点。此外,电离斑点的不规则分布可以说明气隙的不规则存在。

? ? ? 图3是一只交流状态间歇使用三年后因为电容量下降20%而失效的电容器在解剖后两层金属化薄膜重叠在一起的图片,图4、图5则是把重叠的两层薄膜分开后单层薄膜的电离状况。该电容器使用边缘加厚金属化薄膜制造。仔细观察图4、图5可以看到,两层薄膜上的气隙电离现象有三个特点:其一是在金属化边缘加厚区电离斑点较少而且面积较小,这是因为在边缘加厚部位的金属化镀层较厚,并由此导致了电容器芯子在压扁定型时薄膜层与层之间相对致密而气隙较少的缘故;其二是在金属化加厚区和普通区的交界处,均有一排面积较小但非常密集的电离斑点,这一方面是由于该处的金属化镀层在此有一个由厚向薄的过渡带,导致该处气隙较多,因而气隙电离也就较多,另一方面是由于该处镀层厚度尚未明显降低,气隙电离时蒸发掉的金属较少而致电离斑点也较小;其三是在薄膜宽度方向靠近镀层加厚区一侧、离开加厚区的部分,因为金属化镀层较薄,气隙也较多,同样的放电能量能蒸发掉更大面积上的镀层金属,因而导致了这一区域产生大量面积较大的电离斑点

图4图3中重叠的介质分开后一层薄膜的状况

图5? 图3中重叠的介质分开后另一层薄膜的状况

3? ?气隙电离的后果

? ? ? 在灯箱上和高倍放大镜下观察上述图2至图5所示的气隙电离现象可以发现,电离斑点所在位置的介质薄膜基本正常,均没有发生穿孔,仅是表面上金属化镀层被蒸发掉而已。图4中几个电离斑点的放大图片见图6。其它发生更为严重气隙电离的电容器,尽管电容量下降甚至超过50%,但电容器仍未发生击穿的现象也可以证明此点。因此可以判断,对于金属化薄膜电容器而言,无论是短时内强迫发生的气隙电离,或是在较长工作时间内逐步发生的气隙电离,实际上不会发生介质的电离击穿,即是说,金属化薄膜电容器不存在介质电离击穿的问题,因为一旦气隙电离发生,其造成的电离斑点已经没有了金属化镀层而不再处于电容器的工作电场之中,也就不存在介质进一步被击穿的问题。因此,在脉冲或交流电压的作用下,电容器介质和相邻电极镀层之间的气隙电离给我们带来的后果不是文献所述“交流电压下的电离性击穿 [3]207”, 而是大量产生的电离斑点造成了极板面积的明显减小,从而造成电容量的显著下降而致电容器失效,严重缩短了电容器的使用寿命。对于脉冲功率电容器而言,如果存在气隙电离这一问题,则可能因为电容量的减小而达不到输出能量的要求,导致脉冲功率装置无法正常运行;对于电动机运转电容器而言,则由于电容量的减少会导致力矩减小,使得电动机不能正常运转。

图6? 图4中几个电离斑点的放大图片

4? ?气隙电离与自愈击穿的区别

? ? ? 金属化薄膜电容器在介质击穿时具有自愈的功能,自愈时也会发生放电声响并形成基本规则为圆形但大小不一的斑点,并导致电容量的减小。由此在一些场合会把气隙电离和击穿自愈两者混淆起来,但实际上它们却是两种不同的物理现象。不同于气隙电离的发生机理,自愈是在介质击穿瞬间,电容器的两个电极间在击穿位置发生间隙放电并形成瞬间的电流通路,导致了瞬间的过电流流过,间隙放电和瞬间过电流产生的热量蒸发掉穿孔点周围介质上的小块金属化镀层而形成斑点,并因此把穿孔点孤立于电容器工作电场之外而自愈。显然,不同的发生机理导致了气隙电离和击穿自愈两种现象存在着有无击穿孔的根本区别。此外,应该如何有效防止这两种现象的发生,也有着完全不同的途径。图7是一个击穿自愈斑点的图片,在放大镜下仔细观察自愈斑点,可以看到在击穿孔周围存在着一圈薄膜受热收缩形成的堆积物。

图7 金属化薄膜击穿并自愈后的图片

5? ?气隙电离的等效电路及分析

? ? ? 上述分析表明,对应用于脉冲和交流状态的干式金属化薄膜电容器而言,气隙电离是一个必须引起足够重视的问题,有必要进一步深入分析。

? ? ? 文献建立了具有封闭气隙的无机介质电容器模型,并导出了模型的等效电路[3]208。参照其原理,可以建立气隙在介质和金属化镀层之间的金属化薄膜电容器模型及其等效电路如图8。在电容器中,气隙的分布是不均匀的,各个位置的气隙大小也不相同。按照模型,我们仅针对某一个扁平型且垂直于电场方向的气隙具体分析其击穿电压和电容器开始发生气隙电离的门槛电压之间的关系,并分析影响气隙电离的三个因素。

图8 分析气隙电离的电容器模型和等效电路

? ? ? 在图8中,处于电场中的气隙具有厚度d1及面积s时,实际上构成了一个电容器。由于空气的相对介电常数近似为1,因此其电容量c1=ε0s /d1,ε0为真空绝对介电常数;而对应于气隙,由相对介电常数为 εr、厚度为d的介质构成了面积和c1相同的电容器c2,其电容量为c2= εrε0s /d。显然,如图所示,当在电容器的两电极间施加电压u时,处于同一电场中的介质电容器c2和气隙电容器c1上的分压关系为u2 / u1=c1/c2=d /εrd1 ,因而有:u2=u1d /εrd1,所以有u=u1 u2=u1(1 d /εrd1)。

? ? ? 根据对气隙电离现象的分析,在上式中当分配在气隙电容上的电压u1达到气隙的击穿电压ub时,气隙开始发生电离。此时施加于电容器电极的电压u=ui ,称之谓电离电压,实际上就是电容器可能发生气隙电离的起始门槛电压,于是有:ui =ub(1 d /εrd1)(1)

(1)式中,ub作为空气气隙的击穿电压,在同样外部条件下可以认为其值是不变的。因此,(1)式表明了电容器的电离电压ui受d、εr和d1影响的关系。介质厚度d越大、相对介电常数εr和存在的气隙d1越小,越有利于提高电容器电离电压ui的水平。但在工程上,由于介质厚度的增加会显著增大电容器的体积而没有选择的空间,所以不可能通过介质厚度来提高电离电压;而对于介质相对介电常数,就目前状况而言,基本上没有选择的余地。因此,影响电容器电离电压ui的主要因素是介质层间存在的气隙d1。如同前文对气隙电离实例的描述和分析,电容器产生电离斑点的状况,主要取决于介质层间存在气隙的状况,包括气隙的多少、大小和位置的分布,也和导致气隙电离发生时气隙所处电场强度的大小以及对应位置镀层金属的厚薄等因素有关。

? ? ? 根据(1)式,可以具体分析介质相对介电常数εr和存在的气隙d1对电容器电离电压ui的影响程度。

6? ?介电常数大小对气隙电离的影响

? ? ? 虽然目前对介质相对介电常数基本没有选择余地,但在脉冲功率电容器的研发中,为了提升能量密度指标,往往会追求相对介电常数更高的聚合物介质,希望εr达到10甚至更高。如此材料制成的电容器,其它如放电特性等性能不论,单就气隙电离可能导致电容器电容量下降、充放电寿命缩短就是一个不容小觑的问题,必须重视。由此,对于相对介电常数εr对气隙电离的影响,使用比较方法进一步作如下分析:

? ? ? 假定有2只电容器ca和cb,他们的d和d1均相同,但介质的相对介电常数εr不同,而且有εrb=nεra,n > 1。根据(1)式有:

uia=ub(1 d /εrad1)=ub(d εrad1)/εrad1

uib=ub(1 d /nεrad1)=ub(d nεrad1)/ nεrad1

于是有:uib/ uia=(d nεrad1)/(nd nεrad1) (2)由于n>1,必然nd>d因此:uib/ uia<1

? ? ? ?(2)式表明介质相对介电常数εr大的电容器在d和d1相同条件下比εr小的电容器电离电压会降低,而且εr越大,电容器的电离电压降得越低,在同样工作电压下更容易发生气隙电离。如果考虑在金属化薄膜电容器中气隙厚度d1非常之小,远不足以用μm来度量,在(2)式中我们把d1项舍去,则有:uib/ uia= 1/n (3)

? ? ? (3)式中的n为两种介质材料相对介电常数大小的比值,该式近似表明了介质相对介电常数大小影响电容器电离电压高低的反比关系。按照此式,如果使用相对介电常数为11的聚合物介质制造电容器,则与使用聚丙烯膜介质的相同电容器比较,前者的电离电压即开始发生气隙电离的门槛电压会降低至后者的大约1/5。

7? ?气隙多少对气隙电离的影响

? ? ? 有文献指出,“有这样一个最小电压值约250v(有效值),比它再低时,游离就不发生了[4]”。实际上,这一“最小电压值”的界限是有气隙多少的条件的。如果包括工艺在内的各种因素不能保证电容器介质层间存在的气隙低于某一水平,则很可能在200v(有效值)甚至更低的情况下,仍旧会发生气隙电离。可以作如下分析:

? ? ? 假设金属化聚丙烯膜电容器c在介质厚度为d、层间气隙为d1时的电离电压为ui,如果c的层间气隙d1增加为d1'且d1'=nd1,n>1,那么该电容器的电离电压ui'会在ui的基础上下降多少?

根据上述假设和(1)式,有:

ui=ub(1 d /εrd1)=ub(d εrd1)/εrd1

ui'=ub(1 d /εrnd1)=ub(d εrnd1)/ εrnd1

由此:

ui'/ ui=(εrnd1 d)(εrd1)/ (εrnd1)(εrd1 d)=(εrnd1 d) / (εrnd1 nd ) (4)

由于n>1,必然nd>d因此:ui'/ ui<1

? ? ? ?(4)式表明,介质层间气隙多的电容器,其电离电压一定偏低。如果考虑气隙厚度d1远不足以用μm来度量,在(4)式中把d1项舍去,则有:

ui'/ ui= 1/n (5)式中的n为同样电容器中介质层间气隙多少的比值,该式近似表明了电容器介质层间气隙多少影响电容器电离电压高低的反比关系。如果由于材料、工艺等因素导致电容器c的层间气隙在原来d1的基础上增加25% 即n=1.25,则电容器c的电离电压可能从原来的ui下降为0.8ui,即是说如果ui原来为250v(有效值),则气隙增加一定量后可能ui就降为200v(有效值)了。

8? ?解决气隙电离的参考途径

? ? ? 在大多应用场合,额定的脉冲电压或交流电压都会远高于电容器的电离电压。在此条件下,解决电容器的气隙电离问题只有两条途径:其一是消除存在于电容器介质层与层之间的气隙;其二是采用多串联的办法使其中每一串电容器上的工作电压低于其电离电压,从而不会发生气隙电离。

? ? ? 图9、图10显示了两只圆柱形多串联电容器在同样条件的脉冲充放电试验24万次并解剖后金属化薄膜(重叠在一起)的状况[5]。显然,图10电容器发生了严重的气隙电离,致使其与标称值0.02μf相比,电容量下降了17% ,仅为0.0166μf,而且可以看到电离斑点大量发生在金属化镀层条的边沿,和图2所示状况相似。其原因也和图2电容器相同,是由于金属化镀层厚度和薄膜表面之间的空隙处积聚了较多气隙而造成,由此也能看出气隙d1之小。而图9电容器测量电容值几乎没有变化,解剖图片显示金属化薄膜状态正常,没有发现电离斑点。这两只电容器额定指标相同,尺寸均符合要求,只是设计上图9电容器比图10电容器多了一串。由此可以推测,恰恰是多出的这一串降低了每串电容器上承受的试验电压,使得此试验电压低于了它的电离电压。根据上述分析的结果还可以推测,若使用εr较高的介质材料来制造上述规格的电容器,则即使采用和图9电容器相同的串数时也可能导致气隙电离的发生。

图9 充放电试验后基本正常的金属化薄膜

图10 充放电试验后发生气隙电离的金属化薄膜

? ? ? 图11是三组多串联电容器充放电寿命试验的曲线图,三组电容器均为0.02μf,但结构分别为6串、7串和12串,试验条件为温度100℃,脉冲电压15kv,频率2.3hz[6]。试验曲线图表明:2只6串结构电容器在充放电39万次和78万次后均发生了严重的气隙电离,致使电容器的电容量发生雪崩式大幅下降;而7串结构的电容器在180万次充放电试验后电容量下降约为10%;至于12串结构的电容器则在180万次充放电试验后电容量变化很小,基本没有发生气隙电离。

? ? ? 上述两例高压电容器充放电寿命试验结果表明,对于在脉冲或交流工作状态的电容器,尤其是高能量密度要求下的干式高压脉冲功率电容器,必须设计有合理的串联数才能防止其气隙电离的发生,由此提升其充放电次数,保证达到更高使用寿命的要求。如果为了提升电容器能量密度指标而使用介电常数εr较大的介质材料,则对串联数会有更高的要求,并且由此也会对介质材料的厚度控制造成更大的难度。

图11 三组高压电容器充放电寿命的比较

9? 结论

? ? ? 在储能、电力等领域,使用干式金属化薄膜电容器已成为发展趋势。但干式电容器在制造过程中介质薄膜层间不可避免的存有气隙,当运行的脉冲或交流电压超过电容器的电离电压时,在电场作用下上述层间存在的气隙会发生电离,导致金属化镀层被蒸发而形成大小不一的电离斑点。不断发生的气隙电离会严重减小金属化镀层电极的有效面积,从而显著降低电容器的电容量而影响整个系统的正常运行。分析表明:气隙电离不会导致电容器介质的电离性击穿,只会因电容量的减小而降低其使用寿命;使用相对介电常数较大的介质材料制造的电容器,使用时发生气隙电离的门槛电压会降低,在相同工作条件下更易发生气隙电离;交流状态工作时,只要低于250v(有效值)即可防止发生气隙电离这一认知是有条件的,如果气隙偏多,即便在200v(有效值)或更低工作电压时同样可能发生气隙电离,这种气隙多少对于电离电压高低的影响在脉冲功率电容器中同样存在;通过多串联方法降低每一串电容器上的工作电压,使之低于其电离电压可以有效地防止气隙电离的发生。对于干式高能量密度的脉冲功率电容器而言,为了保证其在允许的容衰条件下获得更多的充放电次数,从而延长电容器的使用寿命,这一点尤其重要。

参考文献:

[1] 周水杉,章莉.脉冲功率电容器的应用和发展 [j]. 电子元件与材料,2016,35(11).

[2]王莹. 脉冲功率科学与技术 [m].北京:北京航空航天大学出版社,2010, 392.

[3]谢道华.电容器性能与设计计算[m].北京:中国标准出? ?版社,1991.

[4]西安电力电容器研究室译.电容器的设计与计算[m].1972,? 21.

[5]ray bowker. chinese multiplier cap evaluation update [r].new york:spellman high voltage electronics corporation,2003.

[6]ray bowker.voltage cycle testing of small diameter hv caps [r].new york:spellman high voltage electronics corporation,2009.

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在模拟和数字pcb设计中,旁路或去耦电容(0.1uf)应尽量靠近器件放置。供电电源去耦电容(10uf)应放置在电路板的电源线入口处。所有情况下,这些电容的引脚都应较短。

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在模拟布线设计中,旁路电容通常用于旁路电源上的高频信号,如果不加旁路电容,这些高频信号可能通过电源引脚进入敏感的模拟芯片。一般来说,这些高频信号的频率超出模拟器件抑制高频信号的能力。如果在模拟电路中不使用旁路电容的话,就可能在信号路径上引入噪声,更严重的情况甚至会引起振动。?

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对于控制器和处理器这样的数字器件,同样需要去耦电容,但原因不同。这些电容的一个功能是用作“微型”电荷库。在数字电路中,执行门状态的切换通常需要很大的电流。由于开关时芯片上产生开关瞬态电流并流经电路板,有额外的“备用”电荷是有利的。如果执行开关动作时没有足够的电荷,会造成电源电压发生很大变化。电压变化太大,会导致数字信号电平进入不确定状态,并很可能引起数字器件中的状态机错误运行。

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?在每个集成电路的电源输入脚和地之间,需加一个去耦电容(一般采用高频性能好的独石电容);电路板空间较密时,也可在几个集成电路周围加一个钽电容。

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高手和前辈们总是告诉我们这样的经验法则:“在电路板的电源接入端放置一个1~10μf的电容,滤除低频噪声;在电路板上的电源与地线之间放置一个0.01~0.1μf的电容,滤除高频噪声。”在书店里能够得到的大多数的高速pcb设计、高速数字电路设计的经典教程中也不厌其烦的引用该首选法则(老外俗称rule?of?thumb)。

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什么是旁路?

?旁路(bypass),在电路中为了改变某条支路的频率特性,使得它在某些频段内存在适当的阻值,而在另一些频段内则处于近似短路的状态,于是便产生了旁路电容的概念。旁路电容之所以为旁路电容,是因为它旁边还存在着一条主路,而并不是某些电容天生就是用来做旁路电容的,也就是说什么种类的电容都可以用来做旁路电容,关键在于电容容值的大小合适与否。旁路电容并不是电解电容或是陶瓷电容的专利。之所以低频电路中多数旁路电容都采用电解电容原因在于陶瓷电容容值难以达到所需要的大小。

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使用旁路电容的目的就是使旁路电容针对特定频率以上的信号相对于主路来说是短路的。如图形式:要求旁路电容需要取值的大小;

已知:1、旁路电容要将流经电阻r的频率高于f的交流信号近似短路。求旁路电容的大小?

解:旁路电容c的目的就是在频率f以上将原本流经r的绝大多数电流短路;也即频率为f时,容抗远小于电阻值;r=1/2πf*c??c=1/2πf*r? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

当f=1khz,r=1k时,c应该远大于0.16uf。因此取47uf已近很足够了,当然再大一点也不为过,100uf都还算能接受,电容适当增大可以使得旁路更充分,而且在给定频率以上支路的品质因数更低,也就使得整个支路表现出来的容性更弱,支路对信号相位的影响更小,笔者认为旁路电容的值在上述计算值的100到1000倍都可以接受。不过如果要是大于上式计算出的值的5000倍就不太好了。不过再大也不会得到多少回报,甚至有可能带来不好的后果,因为实际的电容永远都不是一个纯粹的电容。电容越大带来的其分布电感也将更显著。

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什么是耦合? 耦合,有联系的意思。单元电路级联时,中间如果采用的是电容来传递信号,能量通过电容从前级传至后级,则此电容即耦合电容,作为耦合电容就应当使得两级的直流信号无法串通,只有交流信号得以通过,正因为如此使得静态的设置不相互影响,那么耦合电容该如何设定呢? ??????????????????????????????????????????????? 已知:如图,rs表征了前级的输出电阻,r表征了后级的输入电阻,级间传递的信号频率在f以上求c的大小。 解:要求信号尽可能多的传到r则c的容抗应当远小于r即: ??r=1/2πf*c????????????????c=1/2πf*r?? 如果r=5000,需要传输的信号频率为1000hz以上,则c=0.032uf 因此3.2uf便可以了,当然适当大点会更好啊,一般的电路输入电阻求起来不是一下两下的是,因而笔者建议将输入电阻取个大概的较小的值然后估算出电容的值,稍微大一点,不会有问题。 由上式可知c的大小不受rs的影响。那么rs到底影响了什么呢?当rs较大时,r便相对更小,前级信号传递到后级的电压值更小,也就是rs太大,或是r太小,那么增加电容的值(即加深级间耦合的程度)也无法挽回大局,电压信号还是会降低很多。

什么是退耦? 退耦(decouple),最早用于多级电路中,为保证前后级间传递信号而不互相影响各级静态工作点的而采取的措施。在电源中退耦表示,当芯片内部进行开关动作或输出发生变化时,需要瞬时从电源线上抽取较大电流,该瞬时的大电流可能导致电源线上电压的降低,从而引起对自身和其他器件的干扰。为了减少这种干扰,需要在芯片附近设置一个储电的“小水池”以提供这种瞬时的大电流能力。

在电源电路中,旁路和退耦都是为了减少电源噪声。旁路主要是为了减少电源上的噪声对器件本身的干扰(自我保护);退耦是为了减少器件产生的噪声对电源的干扰,有人说退耦是针对低频、旁路是针对高频,高速芯片内部开关操作可能高达上ghz,由此引起对电源线的干扰明显已经不属于低频的范围,为此目的的退耦电容同样需要有很好的高频特性。不刻意区分退耦和旁路,认为都是为了滤除噪声,而不管该噪声的来源。 退耦电路的形式当然不只上面图示的那样,退耦电路就一个作用就是稳定电源的电压,使电源电压不发生动摇,如果电源电压都动摇了,那么整个电路的静态都在摇,势必使得输出的信号不理想。退耦,顾名思义就是减退耦合,使得电源与后级,后级的级与级之间没有交流信号的串扰,如此而已,而之所以用两个电容只是为了达到优势互补,达到较好的隔交流的作用。

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旁路电容之所以为旁路电容,是因为它旁边还存在着一条主路,而并不是某些电容天生就是用来做旁路电容的,也就是说什么种类的电容都可以用来做旁路电容,关键在于电容容值的大小合适与否。

在电源中退耦表示,当芯片内部进行开关动作或输出发生变化时,需要瞬时从电源线上抽取较大电流,该瞬时的大电流可能导致电源线上电压的降低,从而引起对自身和其他器件的干扰。为了减少这种干扰,需要在芯片附近设置一个储电的“小水池”以提供这种瞬时的大电流能力。

http://bbs.21ic.com/icview-471746-1-1.html

http://www.eepw.com.cn/article/232857_2.htm

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话说电容之一:电容的作用 作为无源元件之一的电容,其作用不外乎以下几种: 1、应用于电源电路,实现旁路、去藕、滤波和储能的作用。下面分类详述之: 1)旁路 旁路电容是为本地器件提供能量的储能器件,它能使稳压器的输出均匀化, 降低负载需求。?就像小型可充电电池一样,旁路电容能够被充电,并向器件进 行放电。为尽量减少阻抗,旁路电容要尽量靠近负载器件的供电电源管脚和地 管脚。?这能够很好地防止输入值过大而导致的地电位抬高和噪声。地弹是地连 接处在通过大电流毛刺时的电压降。 2)去藕 去藕,又称解藕。?从电路来说,?总是可以区分为驱动的源和被驱动的负载。 如果负载电容比较大,?驱动电路要把电容充电、放电,?才能完成信号的跳变, 在上升沿比较陡峭的时候,?电流比较大,?这样驱动的电流就会吸收很大的电源 电流,由于电路中的电感,电阻(特别是芯片管脚上的电感,会产生反弹),这 种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声,会影响前级的正常工作,这就 是所谓的“耦合”。 去藕电容就是起到一个“电池”的作用,满足驱动电路电流的变化,避免相 互间的耦合干扰。 将旁路电容和去藕电容结合起来将更容易理解。旁路电容实际也是去藕合 的,只是旁路电容一般是指高频旁路,也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗 泄防途径。高频旁路电容一般比较小,根据谐振频率一般取0.1μf、0.01μf?等; 2 而去耦合电容的容量一般较大,可能是10μf?或者更大,依据电路中分布参数、 以及驱动电流的变化大小来确定。 旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象,而去耦是把输出信号的干扰作为 滤除对象,防止干扰信号返回电源。这应该是他们的本质区别。 3)滤波 从理论上(即假设电容为纯电容)说,电容越大,阻抗越小,通过的频率也 越高。但实际上超过1μf?的电容大多为电解电容,有很大的电感成份,所以频 率高后反而阻抗会增大。有时会看到有一个电容量较大电解电容并联了一个小电 容,这时大电容通低频,小电容通高频。电容的作用就是通高阻低,通高频阻低 频。电容越大低频越容易通过,电容越大高频越容易通过。具体用在滤波中,大 电容(1000μf)滤低频,小电容(20pf)滤高频。 曾有网友形象地将滤波电容比作“水塘”。由于电容的两端电压不会突变, 由此可知,信号频率越高则衰减越大,可很形象的说电容像个水塘,不会因几滴 水的加入或蒸发而引起水量的变化。它把电压的变动转化为电流的变化,频率越 高,峰值电流就越大,从而缓冲了电压。滤波就是充电,放电的过程。 4)储能 储能型电容器通过整流器收集电荷,并将存储的能量通过变换器引线传送至 电源的输出端。?电压额定值为40~450vdc、电容值在220~150?000μf?之间 的铝电解电容器(如epcos?公司的?b43504?或b43505)是较为常用的。根据 不同的电源要求,器件有时会采用串联、并联或其组合的形式,?对于功率级超 过10kw?的电源,通常采用体积较大的罐形螺旋端子电容器。 2、应用于信号电路,主要完成耦合、振荡/同步及时间常数的作用: 1)耦合 举个例子来讲,晶体管放大器发射极有一个自给偏压电阻,它同时又使信号 产生压降反馈到输入端形成了输入输出信号耦合,?这个电阻就是产生了耦合的 元件,如果在这个电阻两端并联一个电容,?由于适当容量的电容器对交流信号 较小的阻抗,这样就减小了电阻产生的耦合效应,故称此电容为去耦电容。 2)振荡/同步 包括rc、lc?振荡器及晶体的负载电容都属于这一范畴。 3 3)时间常数 这就是常见的?r、c?串联构成的积分电路。当输入信号电压加在输入端时, 电容(c)上的电压逐渐上升。而其充电电流则随着电压的上升而减小。电流通 过电阻(r)、电容(c)的特性通过下面的公式描述: i?=?(v?/?r)e?-?(t?/?cr) 话说电容之二:电容的选择 通常,应该如何为我们的电路选择一颗合适的电容呢?笔者认为,应基于以 下几点考虑: 1、静电容量; 2、额定耐压; 3、容值误差; 4、直流偏压下的电容变化量; 5、噪声等级; 6、电容的类型; 7、电容的规格。 那么,是否有捷径可寻呢?其实,电容作为器件的外围元件,几乎每个器件 的?datasheet?或者?solutions,都比较明确地指明了外围元件的选择参数,也 就是说,据此可以获得基本的器件选择要求,然后再进一步完善细化之。 其实选用电容时不仅仅是只看容量和封装,具体要看产品所使用环境,特殊 的电路必须用特殊的电容。 4 下面是?chip?capacitor?根据电介质的介电常数分类,?介电常数直接影响电 路的稳定性。 np0?or?ch?(k??15000):?容量稳定性较?x7r?差(δc?

6 c0g?产品?df?值范围为?(1.0?~?2.5)?×?10-4,?约是前者的?31?~?50%。?该 类产品在载有?t/r?模块电路的?gsm、cdma、无绳电话、蓝牙、gps?系统中 低功耗特性较为显著。较多用于各种高频电路,如振荡/同步器、定时器电路等。 话说电容之五:钽电容替代电解电容的误区 通常的看法是钽电容性能比铝电容好,因为钽电容的介质为阳极氧化后生成 的五氧化二钽,它的介电能力(通常用ε?表示)比铝电容的三氧化二铝介质要高。 因此在同样容量的情况下,钽电容的体积能比铝电容做得更小。(电解电容的电 容量取决于介质的介电能力和体积,在容量一定的情况下,介电能力越高,体积 就可以做得越小,反之,体积就需要做得越大)再加上钽的性质比较稳定,所以 通常认为钽电容性能比铝电容好。 但这种凭阳极判断电容性能的方法已经过时了,目前决定电解电容性能的关 键并不在于阳极,而在于电解质,也就是阴极。因为不同的阴极和不同的阳极可 以组合成不同种类的电解电容,其性能也大不相同。采用同一种阳极的电容由于 电解质的不同,性能可以差距很大,总之阳极对于电容性能的影响远远小于阴极。 还有一种看法是认为钽电容比铝电容性能好,主要是由于钽加上二氧化锰阴 极助威后才有明显好于铝电解液电容的表现。如果把铝电解液电容的阴极更换为 二氧化锰,?那么它的性能其实也能提升不少。 可以肯定,esr?是衡量一个电容特性的主要参数之一。?但是,选择电容, 应避免?esr?越低越好,品质越高越好等误区。衡量一个产品,一定要全方位、 多角度的去考虑,切不可把电容的作用有意无意的夸大。 ---以上引用了部分网友的经验总结。 普通电解电容的结构是阳极和阴极和电解质,阳极是钝化铝,阴极是纯铝, 所以关键是在阳极和电解质。阳极的好坏关系着耐压电介系数等问题。 一般来说,钽电解电容的esr?要比同等容量同等耐压的铝电解电容小很多, 高频性能更好。如果那个电容是用在滤波器电路(比如中心为50hz?的带通滤波 器)的话,要注意容量变化后对滤波器性能(通带...)的影响。 7 话说电容之六:旁路电容的应用问题 嵌入式设计中,要求?mcu?从耗电量很大的处理密集型工作模式进入耗电量 很少的空闲/休眠模式。这些转换很容易引起线路损耗的急剧增加,增加的速率 很高,达到?20a/ms?甚至更快。 通常采用旁路电容来解决稳压器无法适应系统中高速器件引起的负载变化, 以确保电源输出的稳定性及良好的瞬态响应。旁路电容是为本地器件提供能量的 储能器件,它能使稳压器的输出均匀化,降低负载需求。就像小型可充电电池一 样,旁路电容能够被充电,并向器件进行放电。为尽量减少阻抗,旁路电容要尽 量靠近负载器件的供电电源管脚和地管脚。这能够很好地防止输入值过大而导致 的地电位抬高和噪声。地弹是地连接处在通过大电流毛刺时的电压降。 应该明白,大容量和小容量的旁路电容都可能是必需的,有的甚至是多个陶 瓷电容和钽电容。这样的组合能够解决上述负载电流或许为阶梯变化所带来的问 题,而且还能提供足够的去耦以抑制电压和电流毛刺。在负载变化非常剧烈的情 况下,则需要三个或更多不同容量的电容,以保证在稳压器稳压前提供足够的电 流。快速的瞬态过程由高频小容量电容来抑制,中速的瞬态过程由低频大容量来 抑制,剩下则交给稳压器完成了。 还应记住一点,稳压器也要求电容尽量靠近电压输出端。 话说电容之七:电容的等效串联电阻esr 普遍的观点是:一个等效串联电阻(esr)很小的相对较大容量的外部电容 能很好地吸收快速转换时的峰值(纹波)电流。但是,有时这样的选择容易引起 稳压器(特别是线性稳压器?ldo)的不稳定,所以必须合理选择小容量和大容 量电容的容值。永远记住,稳压器就是一个放大器,放大器可能出现的各种情况 它都会出现。 由于?dc/dc?转换器的响应速度相对较慢,输出去耦电容在负载阶跃的初始 阶段起主导的作用,因此需要额外大容量的电容来减缓相对于?dc/dc?转换器 的快速转换,同时用高频电容减缓相对于大电容的快速变换。通常,大容量电容 的等效串联电阻应该选择为合适的值,以便使输出电压的峰值和毛刺在器件的 dasheet?规定之内。 8 高频转换中,小容量电容在?0.01μf?到0.1μf?量级就能很好满足要求。表 贴陶瓷电容或者多层陶瓷电容(mlcc)具有更小的?esr。另外,在这些容值 下,它们的体积和?bom?成本都比较合理。如果局部低频去耦不充分,则从低 频向高频转换时将引起输入电压降低。电压下降过程可能持续数毫秒,时间长短 主要取决于稳压器调节增益和提供较大负载电流的时间。 用?esr?大的电容并联比用?esr?恰好那么低的单个电容当然更具成本效 益。然而,这需要你在?pcb?面积、器件数目与成本之间寻求折衷。 话说电容之八:电解电容的电参数 这里的电解电容器主要指铝电解电容器,其基本的电参数包括下列五点: 1、电容值 电解电容器的容值,取决于在交流电压下工作时所呈现的阻抗。因此容值, 也就是交流电容值,随着工作频率、电压以及测量方法的变化而变化。在标准 jisc?5102?规定:铝电解电容的电容量的测量条件是在频率为?120hz,最大交 流电压为?0.5vrms,dc?bias?电压为1.5?~?2.0v?的条件下进行。可以断言, 铝电解电容器的容量随频率的增加而减小。 2、损耗角正切值?tan?δ 在电容器的等效电路中,串联等效电阻?esr?同容抗?1/ωc?之比称之为?ta n?δ,?这里的?esr?是在?120hz?下计算获得的值。显然,tan?δ?随着测量频率 的增加而变大,随测量温度的下降而增大。 3、阻抗?z 在特定的频率下,阻碍交流电流通过的电阻即为所谓的阻抗(z)。它与电 容等效电路中的电容值、电感值密切相关,且与?esr?也有关系。 z?=?√?[esr2? ?(xl?-?xc)2?] 9 式中,xc?=?1?/?ωc?=?1?/?2πfc xl?=?ωl?=?2πfl 电容的容抗(xc)在低频率范围内随着频率的增加逐步减小,频率继续增加 达到中频范围时电抗(xl)降至?esr?的值。当频率达到高频范围时感抗(xl) 变为主导,所以阻抗是随着频率的增加而增加。 4、漏电流 电容器的介质对直流电流具有很大的阻碍作用。然而,由于铝氧化膜介质上 浸有电解液,在施加电压时,重新形成的以及修复氧化膜的时候会产生一种很小 的称之为漏电流的电流。通常,漏电流会随着温度和电压的升高而增大。 5、纹波电流和纹波电压 在一些资料中将此二者称做“涟波电流”和“涟波电压”,其实就是?ripple current,ripple?voltage。?含义即为电容器所能耐受纹波电流/电压值。?它们和 esr?之间的关系密切,可以用下面的式子表示: urms?=?irms?×?r 式中,vrms?表示纹波电压 irms?表示纹波电流 r?表示电容的?esr 由上可见,当纹波电流增大的时候,即使在?esr?保持不变的情况下,涟波 电压也会成倍提高。换言之,当纹波电压增大时,纹波电流也随之增大,这也是 要求电容具备更低?esr?值的原因。叠加入纹波电流后,由于电容内部的等效串 连电阻(esr)引起发热,从而影响到电容器的使用寿命。一般的,纹波电流与 频率成正比,因此低频时纹波电流也比较低。 话说电容之九:电容器参数的基本公式 1、容量(法拉) 英制:?c?=?(?0.224?×?k?·?a)?/?td 公制:?c?=?(?0.0884?×?k?·?a)?/?td 10 2、电容器中存储的能量 e?=???cv2 3、电容器的线性充电量 i?=?c?(dv/dt) 4、电容的总阻抗(欧姆) z?=?√?[?rs 2? ?(xc?–?xl)2?] 5、容性电抗(欧姆) xc?=?1/(2πfc) 6、相位角?ф 理想电容器:超前当前电压?90o 理想电感器:滞后当前电压?90o 理想电阻器:与当前电压的相位相同 7、耗散系数?(%) d.f.?=?tan?δ?(损耗角) =?esr?/?xc =?(2πfc)(esr) 8、品质因素 q?=?cotan?δ?=?1/?df 9、等效串联电阻esr(欧姆) esr?=?(df)?xc?=?df/?2πfc 11 10、功率消耗 power?loss?=?(2πfcv2)?(df) 11、功率因数 pf?=?sin?δ?(loss?angle)?–?cos?ф?(相位角) 12、均方根 rms?=?0.707?×?vp 13、千伏安kva?(千瓦) kva?=?2πfcv2?×?10-3 14、电容器的温度系数 t.c.?=?[?(ct?–?c25)?/?c25?(tt?–?25)?]?×?106 15、容量损耗(%) cd?=?[?(c1?–?c2)?/?c1?]?×?100 16、陶瓷电容的可靠性 l0?/?lt?=?(vt?/?v0)?x?(tt?/?t0)y 17、串联时的容值 n?个电容串联:1/ct?=?1/c1? ?1/c2? ?….? ?1/cn 两个电容串联:ct?=?c1?·?c2?/?(c1? ?c2) 18、并联时的容值 ct?=?c1? ?c2? ?….? ?cn

12 19、重复次数(againg?rate) a.r.?=?%?δc?/?decade?of?time 上述公式中的符号说明如下: k?=?介电常数 a?=?面积 td?=?绝缘层厚度 v?=?电压 t?=?时间 rs?=?串联电阻 f?=?频率 l?=?电感感性系数 δ?=?损耗角 ф?=?相位角 l0?=?使用寿命 lt?=?试验寿命 vt?=?测试电压 v0?=?工作电压 tt?=?测试温度 t0?=?工作温度 x?,?y?=?电压与温度的效应指数。 话说电容之十:电源输入端的x,y?安全电容 在交流电源输入端,一般需要增加三个电容来抑制emi?传导干扰。 交流电源的输入一般可分为三根线:火线(l)/零线(n)/地线(g)。在 火线和地线之间及在零线和地线之间并接的电容,一般称之为y?电容。这两个y 电容连接的位置比较关键,必须需要符合相关安全标准,以防引起电子设备漏电 或机壳带电,容易危及人身安全及生命,所以它们都属于安全电容,要求电容值 不能偏大,而耐压必须较高。一般地,工作在亚热带的机器,要求对地漏电电流 不能超过0.7ma;工作在温带机器,要求对地漏电电流不能超过0.35ma。因此, y?电容的总容量一般都不能超过4700pf。 13 特别提示:y?电容为安全电容,必须取得安全检测机构的认证。y?电容的耐 压一般都标有安全认证标志和ac250v?或ac275v?字样,但其真正的直流耐压 高达5000v?以上。因此,y?电容不能随意使用标称耐压ac250v,或dc400v 之类的普通电容来代用。 在火线和零线抑制之间并联的电容,一般称之为x?电容。由于这个电容连接 的位置也比较关键,同样需要符合安全标准。因此,x?电容同样也属于安全电容 之一。x?电容的容值允许比y?电容大,但必须在x?电容的两端并联一个安全电 阻,用于防止电源线拔插时,由于该电容的充放电过程而致电源线插头长时间带 电。安全标准规定,当正在工作之中的机器电源线被拔掉时,在两秒钟内,电源 线插头两端带电的电压(或对地电位)必须小于原来额定工作电压的30%。 同理,x?电容也是安全电容,必须取得安全检测机构的认证。x?电容的耐压 一般都标有安全认证标志和ac250v?或ac275v?字样,但其真正的直流耐压高 达2000v?以上,使用的时候不要随意使用标称耐压ac250v,或dc400v?之类 的的普通电容来代用。 x?电容一般都选用纹波电流比较大的聚脂薄膜类电容,这种电容体积一般都 很大,但其允许瞬间充放电的电流也很大,而其内阻相应较小。普通电容纹波电 流的指标都很低,动态内阻较高。用普通电容代替x?电容,除了耐压条件不能 满足以外,一般纹波电流指标也是难以满足要求的。 实际上,仅仅依赖于y?电容和x?电容来完全滤除掉传导干扰信号是不太可能 的。因为干扰信号的频谱非常宽,基本覆盖了几十khz?到几百mhz,甚至上千 mhz?的频率范围。通常,对低端干扰信号的滤除需要很大容量的滤波电容,但 受到安全条件的限制,y?电容和x?电容的容量都不能用大;对高端干扰信号的滤 除,大容量电容的滤波性能又极差,特别是聚脂薄膜电容的高频性能一般都比较 差,因为它是用卷绕工艺生产的,并且聚脂薄膜介质高频响应特性与陶瓷或云母 相比相差很远,一般聚脂薄膜介质都具有吸附效应,它会降低电容器的工作频率, 聚脂薄膜电容工作频率范围大约都在1mhz?左右,超过1mhz?其阻抗将显著增 加。 因此,为抑制电子设备产生的传导干扰,除了选用y?电容和x?电容之外,还 要同时选用多个类型的电感滤波器,组合起来一起滤除干扰。电感滤波器多属于 低通滤波器,但电感滤波器也有很多规格类型,例如有:差模、共模,以及高频、 低频等。每种电感主要都是针对某一小段频率的干扰信号滤除而起作用,对其它 频率的干扰信号的滤除效果不大。通常,电感量很大的电感,其线圈匝数较多, 那么电感的分布电容也很大。高频干扰信号将通过分布电容旁路掉。而且,导磁 率很高的磁芯,其工作频率则较低。目前,大量使用的电感滤波器磁芯的工作频 率大多数都在75mhz?以下。对于工作频率要求比较高的场合,必须选用高频环 形磁芯,高频环形磁芯导磁率一般都不高,但漏感特别小,比如,非晶合金磁芯, 坡莫合金等。

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转载自http://forum.eepw.com.cn/thread/141215/1

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电源稳压的原理

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