בתהליך בניית ספק כוח מיתוג, כיצד יש לבחור נכון את קבל המסנן?
קבל המסנן ממלא תפקיד חשוב מאוד באספקת הכוח המיתוג. כיצד לבחור נכון את קבל המסנן, במיוחד בחירת קבל מסנן המוצא היא בעיה שכל מהנדס וטכנאי מודאג ממנה מאוד. אנו יכולים לראות קבלים שונים במעגל מסנן ההספק, 100uF, 10uF, 100nF, 10nF עם ערכי קיבול שונים, אז כיצד נקבעים פרמטרים אלו? אל תגיד לי שהעתקתי את הדיאגרמה הסכמטית של מישהו אחר, הא, הא.
עבור קבלים אלקטרוליטיים נפוצים המשמשים במעגלי תדר הספק של 50Hz, תדר המתח הפועם הוא 100Hz בלבד, וזמן הטעינה והפריקה הוא בסדר גודל של אלפיות שניות. על מנת לקבל מקדם פעימה קטן יותר, הקיבול הנדרש הוא גבוה כמו מאות אלפי μF. לכן, המטרה של קבלים אלקטרוליטיים רגילים מאלומיניום בתדר נמוך היא להגדיל את הקיבול. הפרמטרים העיקריים של יתרונות וחסרונות. עם זאת, לקבל האלקטרוליטי של מסנן המוצא באספקת הכוח המיתוג יש תדר מתח גל שן-מסור גבוה כמו עשרות קילו-הרץ, או אפילו עשרות מגה-הרץ. בשלב זה, הקיבול אינו המדד העיקרי. התקן למדידת איכות קבלים אלקטרוליטיים מאלומיניום בתדר גבוה הוא מאפייני "עכבה- "תדר", נדרש להיות בעל עכבה שווה ערך נמוכה יותר בתוך תדר הפעולה של ספק הכוח המיתוג, ובמקביל בעל סינון טוב. השפעה על קוצים בתדר גבוה שנוצר כאשר התקן המוליך למחצה פועל.
קבלים אלקטרוליטיים רגילים בתדר נמוך מתחילים להראות אינדוקטיביות בסביבות 10kHz, אשר אינה יכולה לעמוד בדרישות של מיתוג ספקי כוח. הקבל האלקטרוליטי מאלומיניום בתדר גבוה המוקדש לספק הכוח המיתוג כולל ארבעה מסופים. שני הקצוות של יריעת האלומיניום החיובית נמשכים בהתאמה כאלקטרודה החיובית של הקבל, ושני הקצוות של יריעת האלומיניום השלילית נמשכים בהתאמה גם כאלקטרודה השלילית. הזרם זורם פנימה ממסוף חיובי אחד של קבל ארבעת הטרמינלים, עובר דרך החלק הפנימי של הקבל, ואז זורם מהמסוף החיובי השני לעומס; הזרם החוזר מהעומס זורם גם ממסוף שלילי אחד של הקבל, ולאחר מכן זורם מהמסוף השלילי השני למסוף השלילי של ספק הכוח.
מכיוון שלקבל ארבעת הטרמינלים יש מאפיינים טובים של תדר גבוה, הוא מספק אמצעי נוח במיוחד להפחתת הרכיב הפועם של המתח ודיכוי רעש ספייק המיתוג. קבלים אלקטרוליטיים מאלומיניום בתדר גבוה הם גם בעלי צורה מרובה ליבות, כלומר, רדיד האלומיניום מחולק למספר מקטעים קצרים יותר, ומובילים מרובים מחוברים במקביל כדי להפחית את רכיב העכבה בתגובת הקיבול. והשימוש בחומרים בעלי התנגדות נמוכה כמסופי עופרת החוצה משפר את יכולתו של הקבל לעמוד בזרמים גדולים.
כדי שמעגלים דיגיטליים יפעלו ביציבות ובאמינות, ספק הכוח חייב להיות "נקי", ומילוי האנרגיה חייב להיות בזמן, כלומר, הסינון והניתוק חייבים להיות טובים. מה זה סינון וניתוק, במילים פשוטות, זה לאגור אנרגיה כאשר השבב אינו זקוק לזרם, ואני יכול לחדש אנרגיה בזמן כאשר אתה צריך זרם. אל תגיד לי שהאחריות הזו אינה של DCDC ו-LDO? כן, בתדרים נמוכים הם יכולים להתמודד עם זה, אבל מערכות דיגיטליות במהירות גבוהה הן שונות.
בואו נסתכל תחילה על הקבל. תפקידו של הקבל הוא פשוט לאחסן את המטען. כולנו יודעים שצריך להוסיף סינון קבלים לספק הכוח, ויש למקם קבל {{0}}.1uF על פין החשמל של כל שבב לצורך ניתוק וכו'. למה אני רואה שהקבל ליד פין החשמל של כמה שבבי לוח הוא 0.1uF או 0.01uF כן, מה הטעם? כדי להבין את האמת הזו, עלינו להבין את המאפיינים האמיתיים של קבלים. קבל אידיאלי הוא רק אחסון של מטען, כלומר C. עם זאת, הקבל המיוצר בפועל אינו כל כך פשוט. בעת ניתוח שלמות ספק הכוח, דגם הקבלים הנפוץ מוצג באיור למטה.
באיור, ESR היא ההתנגדות המקבילה לסדרה של הקבל, ESL היא השראות המקבילה לסדרה של הקבל, ו-C הוא הקבל האידיאלי האמיתי. ESR ו-ESL נקבעים על פי תהליך הייצור והחומרים של הקבל ואינם ניתנים לביטול. איזו השפעה יש לשני הדברים האלה על המעגל. ESR משפיע על האדוות של ספק הכוח, ו-ESL משפיע על מאפייני תדר הסינון של הקבל.
אנו יודעים שהריאקטנס הקיבולי Zc=1/ωC של הקבל, התגובה האינדוקטיבית Zl=ωL של המשרן, (ω=2πf), והעכבה המורכבת של הקבל בפועל הוא Z=ESR פלוס jωL-1/jωC=ESR פלוס j2πf L-1/j2πf c. ניתן לראות שכאשר התדר נמוך מאוד הקיבול משחק תפקיד וכאשר התדר גבוה עד רמה מסוימת לא ניתן להתעלם מתפקיד השראות וכאשר התדר גבוה יותר השראות תשחק א. תפקיד ראשי. הקבל מאבד את אפקט הסינון שלו. אז זכרו, כשהתדר גבוה, הקבל הוא לא רק קבל.
כפי שהוזכר לעיל, השראות הסדרה המקבילה של הקבל נקבעת על ידי תהליך הייצור והחומר של הקבל. ה-ESL של הקבל הקרמי של השבב בפועל נע בין כמה עשיריות של nH לכמה nH, וככל שהחבילה קטנה יותר, כך ה-ESL קטן יותר.
מעקומת הסינון של הקבל למעלה, נוכל לראות גם שהוא לא שטוח, הוא כמו 'V', כלומר יש לו מאפיינים סלקטיביים של תדר, ונקווה שהוא שטוח ככל האפשר ( סינון ברמת לוח לפני שלב), ולפעמים אתה רוצה שהוא יהיה חד ככל האפשר (סינון או חריץ). מה שמשפיע על מאפיין זה הוא גורם האיכות Q של הקבל, Q=1/ωCESR, ככל שה-ESR גדול יותר, ה-Q קטן יותר והעקומה שטוחה יותר. להיפך, ככל שה-ESR קטן יותר, כך ה-Q גדול יותר והעקומה חדה יותר. בדרך כלל, קבלי טנטלום ואלקטרוליטיקה מאלומיניום הם בעלי ESL קטן יחסית, אך ESR גדול, כך שלקבלי טנטלום ואלקטרוליטיקה מאלומיניום יש טווח תדרים יעיל רחב, שמתאים מאוד למסנן רמת הלוח הקדמי. כלומר, קבל טנטלום בעל קיבולת גדולה משמש לעתים קרובות לסינון בשלב הקלט של DCDC או LDO. ושם כמה קבלים של 10uF ו-0.1uF ליד השבב לניתוק, קבלים קרמיים בעלי ESR נמוך מאוד.
