ในกระบวนการสร้างแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง ควรเลือกตัวเก็บประจุตัวกรองอย่างไรจึงจะเหมาะสม
ตัวเก็บประจุตัวกรองมีบทบาทสำคัญมากในการจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง วิธีการเลือกตัวเก็บประจุตัวกรองอย่างถูกต้อง โดยเฉพาะการเลือกตัวเก็บประจุตัวกรองเอาต์พุตเป็นปัญหาที่วิศวกรและช่างเทคนิคทุกคนกังวลมาก เราสามารถเห็นตัวเก็บประจุต่างๆ บนวงจรกรองไฟ 100uF, 10uF, 100nF, 10nF ที่มีค่าความจุต่างกัน ดังนั้น พารามิเตอร์เหล่านี้กำหนดได้อย่างไร? อย่าบอกนะว่าฉันคัดลอกแผนผังของคนอื่นมา หึ หึ
สำหรับตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าทั่วไปที่ใช้ในวงจรความถี่ไฟฟ้า 50Hz ความถี่ของแรงดันไฟฟ้าที่เต้นเป็นจังหวะจะอยู่ที่ 100Hz เท่านั้น และเวลาในการชาร์จและคายประจุจะอยู่ในลำดับมิลลิวินาที เพื่อให้ได้ค่าสัมประสิทธิ์การเต้นที่น้อยลง ความจุที่ต้องการจึงสูงถึงหลายแสน μF ดังนั้น เป้าหมายของตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติคความถี่ต่ำธรรมดาคือการเพิ่มความจุ พารามิเตอร์หลักของข้อดีและข้อเสีย อย่างไรก็ตาม ตัวเก็บประจุแบบอิเล็กโทรลีติคตัวกรองเอาต์พุตในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งมีความถี่แรงดันคลื่นฟันเลื่อยสูงถึงสิบ kHz หรือแม้แต่หลายสิบ MHz ในขณะนี้ ความจุไม่ใช่ตัวบ่งชี้หลัก มาตรฐานสำหรับการวัดคุณภาพของตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติคความถี่สูงคือลักษณะ "อิมพีแดนซ์-" ความถี่" จำเป็นต้องมีอิมพีแดนซ์เทียบเท่าที่ต่ำกว่าภายในความถี่การทำงานของแหล่งจ่ายไฟสวิตชิ่ง และในขณะเดียวกันก็ต้องมีการกรองที่ดี ส่งผลต่อความถี่สูงที่เกิดขึ้นเมื่ออุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ทำงาน
ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าความถี่ต่ำธรรมดาเริ่มแสดงค่าความเหนี่ยวนำที่ประมาณ 10kHz ซึ่งไม่เป็นไปตามข้อกำหนดของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติคความถี่สูงสำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งมีขั้วต่อสี่ขั้ว ปลายทั้งสองของแผ่นอลูมิเนียมที่เป็นขั้วบวกจะถูกดึงออกมาเป็นขั้วบวกของตัวเก็บประจุตามลำดับ และปลายทั้งสองของแผ่นอลูมิเนียมที่เป็นขั้วลบก็จะถูกดึงออกมาเป็นขั้วลบเช่นกัน กระแสไหลเข้าจากขั้วบวกหนึ่งของตัวเก็บประจุสี่ขั้ว ผ่านด้านในของตัวเก็บประจุ แล้วไหลจากขั้วบวกอีกขั้วหนึ่งไปยังโหลด กระแสที่ไหลกลับจากโหลดยังไหลเข้าจากขั้วลบหนึ่งของตัวเก็บประจุ แล้วไหลจากขั้วลบอีกขั้วหนึ่งไปยังขั้วลบของแหล่งจ่ายไฟ
เนื่องจากตัวเก็บประจุแบบสี่ขั้วมีคุณสมบัติความถี่สูงที่ดี จึงเป็นวิธีที่ดีอย่างยิ่งในการลดองค์ประกอบการเต้นของแรงดันไฟฟ้าและยับยั้งสัญญาณรบกวนสไปค์สวิตชิ่ง ตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติคความถี่สูงยังมีรูปแบบหลายคอร์ กล่าวคือ อลูมิเนียมฟอยล์ถูกแบ่งออกเป็นส่วนที่สั้นกว่าหลายส่วน และตะกั่วหลายตัวเชื่อมต่อแบบขนานเพื่อลดองค์ประกอบอิมพีแดนซ์ในรีแอกแตนซ์ของตัวเก็บประจุ และการใช้วัสดุที่มีความต้านทานต่ำเป็นขั้วต่อตะกั่วช่วยเพิ่มความสามารถของตัวเก็บประจุในการทนต่อกระแสขนาดใหญ่
เพื่อให้วงจรดิจิทัลทำงานได้อย่างเสถียรและเชื่อถือได้ แหล่งจ่ายไฟต้อง "สะอาด" และการเติมพลังงานต้องตรงเวลา นั่นคือการกรองและแยกส่วนต้องดี การกรองและแยกส่วนคืออะไร พูดง่ายๆ คือเก็บพลังงานเมื่อชิปไม่ต้องการกระแส และเติมพลังงานได้ทันเวลาเมื่อคุณต้องการกระแส อย่าบอกนะว่าความรับผิดชอบนี้ไม่ใช่ของ DCDC และ LDO? ใช่ ที่ความถี่ต่ำสามารถจัดการได้ แต่ระบบดิจิตอลความเร็วสูงนั้นแตกต่างออกไป
มาดูคาปาซิเตอร์กันก่อน หน้าที่ของตัวเก็บประจุเป็นเพียงการเก็บประจุ เราทุกคนทราบดีว่าควรเพิ่มการกรองตัวเก็บประจุลงในแหล่งจ่ายไฟ และควรวางตัวเก็บประจุ {{0}}.1uF บนพินพลังงานของชิปแต่ละตัวเพื่อแยกส่วน ฯลฯ ทำไมฉันถึงเห็นว่าตัวเก็บประจุ ถัดจากพินพลังงานของชิปบางบอร์ดคือ 0.1uF หรือ 0.01uF ใช่ ประเด็นคืออะไร เพื่อให้เข้าใจความจริงนี้ เราต้องเข้าใจลักษณะที่แท้จริงของตัวเก็บประจุ ตัวเก็บประจุในอุดมคติเป็นเพียงที่เก็บประจุ ซึ่งก็คือ C อย่างไรก็ตาม ตัวเก็บประจุที่ผลิตขึ้นจริงนั้นไม่ง่ายนัก เมื่อวิเคราะห์ความสมบูรณ์ของแหล่งจ่ายไฟ โมเดลตัวเก็บประจุที่ใช้กันทั่วไปจะแสดงในรูปด้านล่าง
ในรูป ESR คือความต้านทานสมมูลแบบอนุกรมของตัวเก็บประจุ ESL คือค่าความเหนี่ยวนำสมมูลแบบอนุกรมของตัวเก็บประจุ และ C คือตัวเก็บประจุในอุดมคติที่แท้จริง ESR และ ESL ถูกกำหนดโดยกระบวนการผลิตและวัสดุของตัวเก็บประจุและไม่สามารถตัดออกได้ สองสิ่งนี้มีผลอย่างไรต่อวงจร ESR ส่งผลต่อการกระเพื่อมของแหล่งจ่ายไฟ และ ESL ส่งผลต่อลักษณะความถี่ตัวกรองของตัวเก็บประจุ
เราทราบว่าค่ารีแอกแตนซ์แบบเก็บประจุ Zc=1/ωC ของตัวเก็บประจุ ค่ารีแอกแตนซ์แบบเหนี่ยวนำ Zl=ωL ของตัวเหนี่ยวนำ (ω=2πf) และค่าอิมพีแดนซ์เชิงซ้อนของตัวเก็บประจุจริง คือ Z=ESR บวก jωL-1/jωC=ESR บวก j2πf L-1/j2πf c จะเห็นได้ว่าเมื่อความถี่ต่ำมาก ความจุจะมีบทบาท และเมื่อความถี่สูงถึงระดับหนึ่ง บทบาทของตัวเหนี่ยวนำจะไม่สามารถเพิกเฉยได้ และเมื่อความถี่สูงขึ้น ตัวเหนี่ยวนำจะเล่น บทบาทนำ ตัวเก็บประจุสูญเสียผลการกรอง ดังนั้นโปรดจำไว้ว่า เมื่อความถี่สูง ตัวเก็บประจุไม่ได้เป็นเพียงตัวเก็บประจุ
ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น ความเหนี่ยวนำอนุกรมที่เท่ากันของตัวเก็บประจุถูกกำหนดโดยกระบวนการผลิตและวัสดุของตัวเก็บประจุ ESL ของตัวเก็บประจุเซรามิกชิปจริงมีตั้งแต่ไม่กี่ในสิบของ nH ถึงหลาย nH และยิ่งแพ็คเกจมีขนาดเล็กเท่าใด ESL ก็จะยิ่งเล็กลงเท่านั้น
จากเส้นโค้งตัวกรองของตัวเก็บประจุด้านบน เรายังเห็นว่ามันไม่แบน มันเหมือน 'V' กล่าวคือ มันมีลักษณะการเลือกความถี่ และเราหวังว่ามันจะแบนที่สุดเท่าที่จะทำได้ ( การกรองระดับกระดานก่อนเวที) และบางครั้งคุณต้องการให้คมชัดที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ (การกรองหรือการบาก) สิ่งที่ส่งผลต่อคุณลักษณะนี้คือปัจจัยด้านคุณภาพ Q ของตัวเก็บประจุ, Q=1/ωCESR, ESR ยิ่งมาก, Q ยิ่งเล็ก และเส้นโค้งจะราบเรียบ ในทางตรงกันข้าม ยิ่ง ESR น้อย Q ก็ยิ่งมาก และเส้นโค้งยิ่งคมชัด โดยปกติแล้ว ตัวเก็บประจุแทนทาลัมและอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติคจะมี ESL ที่ค่อนข้างเล็ก แต่ ESR นั้นมีขนาดใหญ่ ดังนั้นตัวเก็บประจุแทนทาลัมและอะลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติคจึงมีช่วงความถี่ที่มีประสิทธิภาพกว้าง ซึ่งเหมาะมากสำหรับตัวกรองระดับฟรอนต์เอนด์บอร์ด กล่าวคือ ตัวเก็บประจุแทนทาลัมความจุสูงมักใช้สำหรับการกรองที่ขั้นตอนการป้อนข้อมูลของ DCDC หรือ LDO และวางตัวเก็บประจุขนาด 10uF และ 0.1uF ใกล้กับชิปเพื่อแยกส่วน ตัวเก็บประจุแบบเซรามิกมี ESR ต่ำมาก
