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滤波电容大小计算公式与选择

发布时间:2019-11-26

【导读】桥式整流电路的滤波电容取值在工程设计中,一般由两个切入点来计算。
 
滤波电容大小计算公式
桥式整流电路的滤波电容取值在工程设计中,一般由两个切入点来计算。
 
一是根据电容由整流电源充电与对负载电阻放电的周期,再乘上一个系数来确定的,另一个切入点是根据电源滤波输出的波纹系数来计算的,无论是采用那个切入点来计算滤波电容都需要依据桥式整流的最大输出电压和电流这两个数值。通常比较多的是根据电源滤波输出波纹系数这个公式来计算滤波电容。
 
C》0.289/{f×(U/I)×ACv}
C,是滤波电容,单位为F。
0.289,是由半波阻性负载整流电路的波纹系数推演来的常数。
f,是整流电路的脉冲频率,如50Hz交流电源输入,半波整流电路的脉冲频率为50Hz,全波整流电路的脉冲频率为100Hz。单位是Hz。
U,是整流电路最大输出电压,单位是V。
I,是整流电路最大输出电流,单位是A。
ACv,是波纹系数,单位是%。
 
例如,桥式整流电路,输出12V,电流300mA,波纹系数取8%,滤波电容为:
 
C》0.289/{100Hz×(12V/0.3A)×0.08}
滤波电容约等于0.0009F,电容取1000uF便能满足基本要求。
 
 
 滤波电容大小计算公式与选择
 
电源滤波电容大小的计算方法
C=Q/U----------Q=C*U
I=dQ/dt---------I=d(C*U)/dt=C*dU/dt
C=I*dt/dU
 
从上式可以看出,滤波电容大小与电源输出电流和单位时间电容电压变化率有关系,且输出电流越大电容越大,单位时间电压变化越小电容越大
 
我们可以假设,单位时间电容电压变化1v(dV=1)(可能有人说变化也太大了吧,但想下我们一般做类似lm886的时候用的电压是30v左右,电压下降1v,电压变化率是96.7%,我认为不算小了,那如果您非认为这个值小了,那你可以按照你所希望的值计算一下,或许你发现你所需要的代价是很大的),则上式变为
 
C=I*dt。那么我们就可以按照一个最大的猝发大功率信号时所需要的电流和猝发时间来计算我们所需要的最小电容大小了,以lm3886为例,它的最大输出功率是125W,那么我么可以假设需要电源提供的最大功率是150W,则电源提供的最大电流是I=150/(30+30)=2.5A(正负电源各2.5A),而大功率一般是低频信号,我们可以用100Hz信号代替,则dt=1/100=0.01s,带上上式后得到C=2.5×0.01=0.025=25000uF。
 
以上计算是按照功放的最大功率计算的,如果我们平时是用小音量听的话,电容不需要这么大的,我认为满足一定的纹波系数就可以了,4700u或许就已经够用了。喜欢大音量的同志那就必须要用大水塘了,10000u也不算大。
 
ps:如果按照dV=0.1v计算,则C=25万uF,可以想像在电源上你要花多少钱,而且对音质的影响有多大还很难说。而且从上面的计算还可以得出结论,给lm3886供电的变压器的功率必须要大于150W,如果用一个变压器给双路供电必须大于300W。
 
还有些人可能要问你的计算有问题,因为电容在给电路供电的时候,变压器还在给它充电,应该不需要这么大的电容。我们也可以计算一下,当供电30v时,电流2.5A,相当与电容接了一个12欧姆的负载(这个是瞬时最小电阻),则变压器要给电容充电的时间是T=R×c=12×0.025=0.3s,而在0.01s内变压器给电容充不了多少电,功放电路的能量要全部由电容供给。
 
滤波电容的大小的选取
印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时。操作它们时均会产生较大火花放电,必须采用RC吸收电路来吸收放电电流。一般R取1~2kΩ,C取2.2~4.7μF一般的10PF左右的电容用来滤除高频的干扰信号,0.1UF左右的用来滤除低频的纹波干扰,还可以起到稳压的作用滤波电容具体选择什么容值要取决于你PCB上主要的工作频率和可能对系统造成影响的谐波频率,可以查一下相关厂商的电容资料或者参考厂商提供的资料库软件,根据具体的需要选择。至于个数就不一定了,看你的具体需要了,多加一两个也挺好的,暂时没用的可以先不贴,根据实际的调试情况再选择容值。如果你PCB上主要工作频率比较低的话,加两个电容就可以了,一个虑除纹波,一个虑除高频信号。如果会出现比较大的瞬时电流,建议再加一个比较大的钽电容。其实滤波应该也包含两个方面,也就是各位所说的大容值和小容值的,就是去耦和旁路。
 
原理我就不说了,实用点的,一般数字电路去耦0.1uF即可,用于10M以下;20M以上用1到10个uF,去除高频噪声好些,大概按C=1/f。旁路一般就比较的小了,一般根据谐振频率一般为0.1或0.01uF说到电容,各种各样的叫法就会让人头晕目眩,旁路电容,去耦电容,滤波电容等等,其实无论如何称呼,它的原理都是一样的,即利用对交流信号呈现低阻抗的特性,这一点可以通过电容的等效阻抗公式看出来:Xcap=1/2лfC,工作频率越高,电容值越大则电容的阻抗越小。
 
在电路中,如果电容起的主要作用是给交流信号提供低阻抗的通路,就称为旁路电容;如果主要是为了增加电源和地的交流耦合,减少交流信号对电源的影响,就可以称为去耦电容;如果用于滤波电路中,那么又可以称为滤波电容;除此以外,对于直流电压,电容器还可作为电路储能,利用冲放电起到电池的作用。而实际情况中,往往电容的作用是多方面的,我们大可不必花太多的心思考虑如何定义。
 
本文里,我们统一把这些应用于高速PCB设计中的电容都称为旁路电容。电容的本质是通交流,隔直流,理论上说电源滤波用电容越大越好。但由于引线和PCB布线原因,实际上电容是电感和电容的并联电路,(还有电容本身的电阻,有时也不可忽略)这就引入了谐振频率的概念:ω=1/(LC)1/2在谐振频率以下电容呈容性,谐振频率以上电容呈感性。因而一般大电容滤低频波,小电容滤高频波。这也能解释为什么同样容值的STM封装的电容滤波频率比DIP封装更高。至于到底用多大的电容,这是一个参考。
 
不过仅仅是参考而已,用老工程师的话说——主要靠经验。更可靠的做法是将一大一小两个电容并联,一般要求相差两个数量级以上,以获得更大的滤波频段。一般来讲,大电容滤除低频波,小电容滤除高频波。电容值和你要滤除频率的平方成反比。具体电容的选择可以用公式C=4Pi*Pi/(R*f*f)电源滤波电容如何选取,掌握其精髓与方法,其实也不难。
 
1)理论上理想的电容其阻抗随频率的增加而减少(1/jwc),但由于电容两端引脚的电感效应,这时电容应该看成是一个LC串连谐振电路,自谐振频率即器件的FSR参数,这表示频率大于FSR值时,电容变成了一个电感,如果电容对地滤波,当频率超出FSR后,对干扰的抑制就大打折扣,所以需要一个较小的电容并联对地,可以想想为什么?原因在于小电容,SFR值大,对高频信号提供了一个对地通路,所以在电源滤波电路中我们常常这样理解:大电容虑低频,小电容虑高频,根的原因在于SFR(自谐振频率)值不同,当然也可以想想为什么?如果从这个角度想,也就可以理解为什么电源滤波中电容对地脚为什么要尽可能靠近地了。
 
2)那么在实际的设计中,我们常常会有疑问,我怎么知道电容的SFR是多少?就算我知道SFR值,我如何选取不同SFR值的电容值呢?是选取一个电容还是两个电容?
 
电容的SFR值和电容值有关,和电容的引脚电感有关,所以相同容值的0402,0603,或直插式电容的SFR值也不会相同,当然获取SFR值的途径有两个,1)器件Datasheet,如22pf0402电容的SFR值在2G左右,2)通过网络分析仪直接量测其自谐振频率,想想如何量测?S21?知道了电容的SFR值后,用软件仿真,如RFsim99,选一个或两个电路在于你所供电电路的工作频带是否有足够的噪声抑制比。仿真完后,那就是实际电路试验,如调试手机接收灵敏度时,LNA的电源滤波是关键,好的电源滤波往往可以改善几个dB。
 
 
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