10 (Для лаб по платам), страница 10

Приложение 4,5,6). Очевидно, для лучшей эффективности на высокойчастоте длина выводов должна быть минимальной. Также выпускаются конденсаторыс поликарбонатной пленкой, рассчитанные на высокие токи, специально разработанныедля ИИП, с различными низкоиндуктивными выводами для уменьшения значенияиндуктивности ESL. (Приложение 7).В зависимости от электрических параметров и физических размеров, пленочныеконденсаторы могут применяться на частотах до 10 МГц и даже выше.

На самых высокихчастотах могут применяться только многослойные конденсаторы. Некоторыепроизводители сейчас выпускают пленочные конденсаторы безвыводной конструкции дляповерхностного монтажа (SMD), что устраняет проблему индуктивности выводов.На частоте выше нескольких МГц обычно используют керамические конденсаторы из-заих компактных размеров, низких потерь и наличия номиналов до нескольких мкФ прииспользовании диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью (X7R и Z5U),с номинальным напряжением до 200 В (см. серию керамических конденсаторовв приложении 3).

В конденсаторах типа NP0 (также обозначаемых COG) используетсядиэлектрик с низкой диэлектрической проницаемостью, они имеют нулевойтемпературный коэффициент емкости (ТКЕ) плюс низкий коэффициент зависимостиемкости от приложенного напряжения (по сравнению с менее стабильнымиконденсаторами с высоким значением диэлектрической проницаемости). Значения46aемкостей конденсаторов типа NP0 ограничены величиной 0.1 мкФ и ниже, обычнона практике менее 0.01 мкФ.Многослойные керамические "чипы-конденсаторы" очень популярны для развязки ифильтрации на частотах 10 МГц и выше, т.к.

их очень низкая индуктивность обеспечиваетпочти оптимальное прохождение радиочастотных сигналов. Керамические чипконденсаторы с меньшими значениями емкости имеют рабочий диапазон частот до 1 ГГц.Для применения на высоких частотах правильный выбор заключается в выбореконденсатора, который имеет собственную резонансную частоту более высокую, чемсамая высокая частота, которая имеется в данной цепи.Все конденсаторы имеют некоторое конечное значение эквивалентногопоследовательного сопротивления ESR.

В некоторых случаях ESR может дажеспособствовать подавлению резонансных пиков в фильтрах, обеспечивая некотороезатухание. Например, для большинства электролитических конденсаторов областьпоследовательного резонанса можно найти на графике зависимости импеданса от частоты.Это происходит там, где |Z| падает до минимального уровня, почти равного ESRконденсатора на этой частоте. Данный низкодобротный резонанс может обычнопокрывать относительно большой диапазон частот в несколько октав.

По сравнениюс очень высокодобротными острыми резонансными пиками пленочных и керамическихконденсаторов, поведение электролитов может быть полезно при подавлениирезонансных явлений.В большинстве электролитических конденсаторов значение ESR заметно увеличиваетсяпри низких температурах, примерно в 4-6 раз при изменении температуры от комнатнойдо –55°C. В схемах, для которых значение ESR критично, это может вызвать сбои. Длярешения этой проблемы существуют некоторые специальные типы электролитическихконденсаторов, например у конденсаторов типа HFQ значение ESR на частоте 100 кГц при–10°C возрастает не более чем в 2 раза по сравнению со значением при комнатнойтемпературе.

Электролитические конденсаторы типа OSCON также имеют достаточнопологие характеристики зависимости ESR от температуры.Как было замечено, все конденсаторы имеют паразитные свойства, которые ограничиваютих эффективность. Эквивалентная электрическая схема, описывающая реальныйконденсатор, моделирует ESR, ESL, основную емкость плюс некоторое шунтирующеесопротивление (см. рис. 10.33). Импеданс реального конденсатора на низких частотахпочти чисто емкостной. На средних частотах его импеданс определяется значением ESR,например, для ряда типов, около 0.12–0.4 Ома на частоте 125 кГц. На частотах,превышающих значение примерно 1 МГц, этот конденсатор становится индуктивным,в импедансе доминирует эффект ESL. У всех электролитических конденсаторов кривыеизменения импеданса близки по форме к изображенной на рис.

10.34. Минимальныйимпеданс будет изменяться в зависимости от значения ESR, а диапазон индуктивногоимпеданса зависит от величины ESL (которая, в свою очередь, сильно зависитот конструкции корпуса).47aЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА КОНДЕНСАТОРАИ ЕГО ОТВЕТ НА ИМПУЛЬСНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕiI ПИКА = 1 AВХОДНОЙТОКvdi = 1Adt100нсESR = 0.2 ОмЭквивалентнаячастота f = 3.5 MГц0ESL = 20 нГнdiVПИКА = ESL• dt + ESR • I ПИКАC = 100 мкФ= 400 мВВЫХОДНОЕНАПРЯЖЕНИЕXC = 0.0005 Омна частоте3.5 МГцESR • I ПИКА = 200 мВ0Рис. 10.33ЗАВИСИМОСТЬ ИМПЕДАНСА ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГОКОНДЕНСАТОРА ОТ ЧАСТОТЫЕМКОСТНОЙИМПЕДАНСC (100 мкФ)LOG|Z|ИНДУКТИВНЫЙИМПЕДАНСESL (20 нГн)РЕЗИСТИВНЫЙИМПЕДАНСESR (0.2 Ом)ESR = 0.2 Ом10 кГц1 МГцLOG ЧАСТОТЫРис. 10.34Что касается катушек индуктивности, в фильтрах источников питания очень частоприменяются ферриты – непроводящая керамика, производимая из оксидов никеля,цинка, марганца и других соединений (Приложение 9).

На низких частотах (меньше48a100 кГц), катушки с ферритовыми сердечниками обладают индуктивностью, поэтому ониполезны в низкочастотных LC фильтрах. На частотах более 100 кГц импеданс катушки сферритовым сердечником становится резистивным, что важно для разработкивысокочастотных фильтров. Импеданс индуктивностей с ферритовыми сердечникамиявляется функцией материала, диапазона рабочих частот, постоянного тока смещения,числа витков, размера, формы и температуры.

В таблице на рис. 10.35 перечисленыосновные свойства феррита, а на рис.10.36 показаны характеристики импедансанекоторых дросселей с ферритовыми сердечниками фирмы Fair-Rite (http://www.fairrite.com).Несколько производителей ферритов предлагают большой выбор ферритовых материаловсамой различной формы. (см. Приложение 10 и 11). Наипростейшая форма – бусинка изферритового материала, ферритовый цилиндр, который просто надевается на выводпитания для развязки. Также имеются ферритовые бусинки с выводами – это та жебусинка, уже установленная на кусочек провода и используемая как компонент (см.Приложение 11).

Более сложные бусинки имеют много продольных каналов в цилиндредля улучшения развязки; существуют и другие варианты. Также существуют бусинки свыводами для монтажа на поверхность (SMD).ФЕРРИТЫ НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХФИЛЬТРОВФерриты эффективны на частотах выше 25 кГцСуществуют ферритовые дроссели разных размерови форм, в том числе в виде резистора с выводамиИмпеданс ферритового дросселя на высоких частотахпреимущественно резистивный, что идеально для фильтраВЧНебольшие потери на постоянном токе: сопротивлениепровода, проходящего через феррит, очень невеликоСуществуют варианты с большим током насыщенияВыбор зависит от:Источника и частоты помехТребуемого на частоте помех сопротивленияОкружения: температуры, напряженности постоянногои переменного поля, имеющегося свободного местаВсегда тестируйте проектируемое!Рис.

10.3549aИМПЕДАНС ДРОССЕЛЕЙ С ФЕРРИТОВЫМИ БУСИНКАМИ80ФЕРРИТ N 43ФЕРРИТ N 6460|Z|ОмФЕРРИТ N 73402001101001000ЧАСТОТА (МГЦ)С разрешения: Fair-Rite Products Corp., Wallkill, NY(http://www.fair-rite.com)Рис. 10.36Для материалов Fair-Rite имеются модели PSpice, с их помощью можно оценить импеданскатушек с ферритовыми сердечниками (см. Приложение 2). Эти модели разработаныв соответствии с реально измеренным, а не теоретическим импедансом.Полное сопротивление дросселей с ферритовыми сердечниками зависит от несколькихвзаимно зависимых переменных и аналитическому расчету поддается с трудом, поэтомутрудно напрямую подобрать требуемый феррит.

Однако знание следующих характеристиксделает выбор проще. Во-первых, определите диапазон частот шума, который долженфильтроваться. Во-вторых, должен быть известен ожидаемый диапазон температурфильтра, т.к. импеданс дросселей с ферритовыми сердечниками изменяется в зависимостиот температуры. В-третьих, должен быть известен максимальный постоянный ток,протекающий через дроссель, чтобы удостовериться, что феррит не войдет в насыщение.Хотя модели и другие аналитические средства могут подтвердить правильностьпредпосылок, приведенная выше общая последовательность выбора, подкрепленнаянесколькими экспериментами с реальным фильтром, с подключенной нагрузкой,соответствующей реальным условиям, должна привести к правильному выбору феррита.При соответствующем выборе компонентов низко- и высокочастотные фильтры могутбыть спроектированы так, чтобы сгладить шум на выходе ИИП и обеспечить пригодноедля питания аналоговых схем 5-вольтовое питание.

На практике лучше добиваться этого,используя две ступени (а иногда и больше), каждая ступень должна быть оптимизированадля определенного диапазона частот. Для всего постоянного тока нагрузки может бытьиспользовано общее фильтрующее звено, фильтрующее шум на 60 dB или большев диапазоне до 1-10 МГц. Этот главный фильтр используется как входной фильтрна печатной плате и обеспечивает широкополосную фильтрацию, общую для всех линийпитания печатной платы. Прямо на выводах питания отдельных частей устройстваиспользуются более простые локальные фильтрующие звенья, чтобы обеспечить развязкуна высоких частотах.50aЭКСПЕРИМЕНТЫ С ИМПУЛЬСНЫМ ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯДля того, чтобы лучше разобраться в проблеме фильтрации ИИП, был проведен рядэкспериментов со следующим устройством: синхронный понижающий импульсныйстабилизатор ADP1148 с напряжением на входе 9 В, и напряжением 3.3 В при токе 1 Ана выходе.В добавлении к обычному исследованию формы входных и выходных сигналов, цельюэтих экспериментов было уменьшить размах выходных пульсаций до уровня меньше10 мВ – уровня, приемлемого для питания большинства аналоговых схем.Измерения были сделаны с использованием широкополосного цифрового осциллографафирмы Tektronix с входной полосой 20 МГц, так что пульсации от импульсногостабилизатора наблюдались очень хорошо.

В работающем устройстве пульсациинапряжения питания с частотой более 20 МГц лучше всего фильтруются локальнона каждом выводе питания ИС при помощи низкоиндуктивного керамическогоконденсатора и, возможно, последовательно включенного дросселя на ферритовойбусинке.Для точных измерений пульсаций важно устройство щупа. Был использован стандартныйпассивный зонд 1:10 с пружинящим наконечником типа "штыка" для того, чтобы сделатьсоединение с землей как можно более коротким (см. рис.10.37).