如用電容器來降低噪聲的對策分析

開關(guān)電源輸入用共模濾波器中包括電容器、電感、鐵氧體磁珠和電阻等部件。接下來將對其中使用電容和電感降噪的對策進行介紹，這也可以稱為“噪聲對策的基礎(chǔ)”。在這里使用簡單的四元件模型。如果要進一步表達高頻諧振時，可能需要更多的元件模型。
? ? 電容的頻率特性
? 探討利用電容器來降低噪聲時，充分了解電容器的特性是非常重要的。右下圖為電容器的阻抗和頻率之間的關(guān)系示意圖，是電容器最基礎(chǔ)的特性之一。
? 電容器中不僅存在電容量C，還存在電阻分量ESR（等效串聯(lián)電阻）、電感分量ESL（等效串聯(lián)電感）、與電容并聯(lián)存在的EPR（等效并聯(lián)電阻）。EPR與電極間的絕緣電阻IR或電極間有漏電流的具有相同的意義。可能一般多使用“IR”。
?

? C和ESL形成串聯(lián)諧振電路，電容器的阻抗原則上呈上圖所示的V字型頻率特性。到諧振頻率之前呈容性特性，阻抗下降。諧振頻率的阻抗取決于ESR。過了諧振頻率之后，阻抗特性變?yōu)楦行?，阻抗隨著頻率升高而升高。感性阻抗特性取決于ESL。
? 諧振頻率可通過以下公式計算。 從該公式可以看出，容值越小、ESL越低的電容器，諧振頻率越高。如果將其應(yīng)用于噪聲消除，則容值越小、ESL越低的電容器，頻率越高，阻抗越低，因此可以很好地消除高頻噪聲。
? 雖然這里說明的順序有些前后顛倒，不過使用電容器降低噪聲的對策，是利用了電容器“交流通過時頻率越高越容易通過”這個基本特性，將不需要的噪聲（交流分量）經(jīng)由信號、電源線旁路到GND等。
? 下圖為不同容值的電容器的阻抗頻率特性。在容性區(qū)域，容值越大，阻抗越低。另外，容值越小，諧振頻率越高，在感性區(qū)域阻抗越低。
?

下面總結(jié)一下電容器阻抗的頻率特性。
?

容值和ESL越小，諧振頻率越高，高頻區(qū)域的阻抗越低。

容值越大，容性區(qū)域的阻抗越低。

ESR越小，諧振頻率的阻抗越低。

ESL越小，感性區(qū)域的阻抗越低。

簡單來說，阻抗低的電容器具有出色的噪聲消除能力，不同的電容器其阻抗的頻率特性也不同，所以這一特性是非常重要的確認要點。選擇降噪用電容器時，請根據(jù)阻抗的頻率特性來選型（而非容值）。
? 選擇降噪用電容器時，確認頻率特性需要意識到連接的是LC的串聯(lián)諧振電路（而非電容）。
? 關(guān)鍵要點:

? ?降噪用電容器的選型需要根據(jù)阻抗的頻率特性進行（而非容值）。

? ?容值和ESL越小，諧振頻率越高，高頻區(qū)域的阻抗越低。
? ?容值越大，容性區(qū)域的阻抗越低。
? ?ESR越小，諧振頻率的阻抗越低。
? ?ESL越小，感性區(qū)域的阻抗越低。
?

下面將介紹采用電容器來降低噪聲時的概要和示意圖。

? ? 使用電容器降低噪聲

? 噪聲分很多種，性質(zhì)也是多種多樣的。所以，噪聲對策（即降低噪聲的方法）也多種多樣。在這里主要談開關(guān)電源相關(guān)的噪聲，因此，請理解為DC電壓中電壓電平較低、頻率較高的噪聲。另外，除電容外，還有齊納二極管和噪聲/浪涌/ESD抑制器等降噪部件。不同的噪聲性質(zhì)，所需要的降噪部件也各不相同。如果是DC/DC轉(zhuǎn)換器，多數(shù)會根據(jù)其電路和電壓電平，用LCR來降低噪聲。

? 使用電容器降低噪聲的示意圖
? 下面是通過添加電容器來降低DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓噪聲的示例。
?

左側(cè)的波形是輸出端LC濾波器的電容為22μF時，在約200MHz的頻率范圍存在180mVp-p左右的噪聲（振鈴、反射）。右側(cè)波形是為了降低這種噪聲而添加了2200pF電容后的結(jié)果。從波形圖可以看出，添加2200pF的電容使噪聲降低了100mV左右。
? 這里應(yīng)該思考的是“為什么是2200pF”。右下圖為所添加電容器的阻抗頻率特性。
? 之所以選擇2200pF的電容，是因為阻抗在160MHz附近最低，利用這種阻抗特性，可降低噪聲幅度約2MHz。這是通過添加電容器來降低目標噪聲頻率的阻抗，從而降低噪聲幅度的手法。像這樣通過添加電容器來降低噪聲時，需要把握噪聲（振鈴、反射）的頻率，并選擇具有相應(yīng)阻抗的頻率特性的電容器。
?

本文簡單介紹了利用電容器來降低噪聲的對策。下一篇文章將介紹去耦電容的有效使用方法。
? 關(guān)鍵要點:
? ?通過降低目標噪聲頻率的阻抗來降低噪聲幅度。
? ?降噪用電容器的選型需要根據(jù)阻抗的頻率特性進行（而非容值）。

去耦電容的有效使用方法
? 去耦電容有效使用方法的要點大致可以分為以下兩種。另外，還有其他幾點需要注意。本文就以下三點中的“要點1”進行介紹。
?

?要點1：使用多個去耦電容

?要點2：降低電容的ESL（等效串聯(lián)電感）

?其他注意事項

要點1：使用多個去耦電容
? 去耦電容的有效使用方法之一是用多個（而非1個）電容進行去耦。使用多個電容時，使用相同容值的電容時和交織使用不同容值的電容時，效果是不同的。
? ?使用多個容值相同的電容時
?

右圖是使用1個22μF的電容時（藍色）、增加1個變?yōu)?個時（紅色）、再增加1個變?yōu)?個（紫色）時的頻率特性。如圖所示，當增加容值相同的電容后，阻抗在整個頻率范圍均向低的方向轉(zhuǎn)變，也就是說阻抗越來越低。這一點可通過思考并聯(lián)連接容值相同的電容時，到諧振點的容性特性、取決于ESR（等效串聯(lián)電阻）的諧振點阻抗、諧振點以后的ESL（等效串聯(lián)電感）影響的感性特性來理解。并聯(lián)的電容容值是相加的，所以3個電容為66μF，容性區(qū)域的阻抗下降。
? 諧振點的阻抗是3個電容的ESR并聯(lián)，因此為，假設(shè)這些電容的ESR全部相同，則ESR減少至1/3，阻抗也下降。
? 諧振點以后的感性區(qū)域的ESL也是并聯(lián)，因此為，假設(shè)3個電容的ESL全部相同，則ESL減少至1/3，阻抗也下降。
? 由此可知，通過使用多個相同容值的電容，可在整個頻率范圍降低阻抗，因此可進一步降低噪聲。
? ?使用多個容值不同的電容時

這些曲線是在22μF的電容基礎(chǔ)上并聯(lián)增加0.1μF、以及0.01μF的電容后的頻率特性。通過增加容值更小的電容，可降低高頻段的阻抗。相對于一個22μF電容的頻率特性來說，0.1μF和0.01μF的特性是合成后的特性（紅色虛線）。這里必須注意的是，有些頻率點產(chǎn)生反諧振，阻抗反而增高，EMI惡化。反諧振發(fā)生于容性特性和感性特性的交叉點。
? 所增加電容的電容量，一般需要根據(jù)目標降噪頻率進行選型。
? 另外，在這里給出的頻率特性波形圖是理想的波形圖，并未考慮PCB板的布局布線等引起的寄生分量。在實際的噪聲對策中，需要考慮寄生分量的影響。下一篇文章將介紹第2個要點。
? 關(guān)鍵要點:
? ?去耦電容的有效使用方法有兩個要點：①使用多個電容，②降低電容的ESL。
? ?使用多個電容時，容值相同時和不同時的效果不同。

要點2：降低電容的ESL
? 去耦電容的有效使用方法的第二個要點是降低電容的ESL（即等效串聯(lián)電感）。雖說是“降低ESL”，但由于無法改變單個產(chǎn)品的ESL本身，因此這里是指“即使容值相同，也要使用ESL小的電容”。通過降低ESL，可改善高頻特性，并可更有效地降低高頻噪聲。
? ?即使容值相同也要使用尺寸較小的電容
? 對于積層陶瓷電容（MLCC），有時會準備容值相同但尺寸不同的幾個封裝。ESL取決于引腳部位的結(jié)構(gòu)。尺寸較小的電容基本上引腳部位也較小，通常ESL較小。
?

右圖是容值相同、大小不同的電容的頻率特性示例。如圖所示，更小的1005尺寸的諧振頻率更高，在之后感性區(qū)域的頻率范圍阻抗較低。這正如在“電容的頻率特性”中所介紹的，電容的諧振頻率是基于以下公式的，從公式中可見，只要容值相同，ESL越低諧振頻率越高。另外，感性區(qū)域的阻抗特性取決于ESL，這一點也曾介紹過。
? 關(guān)于噪聲對策，當需要降低更高頻段的噪聲時，可以選擇尺寸小的電容。
? ?使用旨在降低ESL的電容
? 積層陶瓷電容中，有些型號采用的是旨在降低ESL的形狀和結(jié)構(gòu)。
?

如圖所示，普通電容的電極在短邊側(cè)，而LW逆轉(zhuǎn)型的電極則相反，在長邊側(cè)。由于L（長度）和W（寬度）相反，故稱“LW逆轉(zhuǎn)型”。是通過增加電極的寬度來降低ESL的類型。
? 三端電容是為了改善普通電容（兩個引腳）的頻率特性而優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的電容。三端電容是將雙引腳電容的一個引腳（電極）的另一端向外伸出作為直通引腳，將另一個引腳作為GND引腳。在上圖中，輸入輸出電極相當于兩端伸出的直通引腳，左右的電極當然是導(dǎo)通的。這種輸入輸出電極（直通引腳）和GND電極間存在電介質(zhì)，起到電容的作用。
? 將輸入輸出電極串聯(lián)插入電源或信號線（將輸入輸出電極的一端連接輸入端，另一端連接輸出端），GND電極接地。這樣，由于輸入輸出電極的ESL不包括在接地端，因此接地的阻抗變得非常低。另外，輸入輸出電極的ESL通過在噪聲路徑直接插入，有利于降低噪聲（增加插入損耗）。
? 通過在長邊側(cè)成對配置GND電極，可抑制ESL；再采用并聯(lián)的方式，可使ESL減半。
? 基于這樣的結(jié)構(gòu)，三端電容不僅具有非常低的ESL，而且可保持低ESR，與相同容值相同尺寸的雙引腳型電容相比，可顯著改善高頻特性。
? 下一章計劃對相關(guān)的幾點注意事項進行介紹。
? 關(guān)鍵要點:
? ?去耦電容的有效使用方法有兩個要點：①使用多個電容，②降低電容的ESL。
? ?通過降低電容的ESL，可改善高頻特性，并可更有效地降低高頻噪聲。
? ?有的電容雖然容值相同，但因尺寸和結(jié)構(gòu)不同而ESL更小。

去耦電容的有效使用方法：其他注意事項
? ①Q(mào)較高的陶瓷電容
? 電容具有被稱為“Q”的特性。下圖即表示Q和頻率－阻抗特性之間的關(guān)系。
?

當Q值高時，阻抗在特定的窄帶會變得非常低。當Q值低時，阻抗雖然不會極度下降，但可以在很寬的頻段內(nèi)降低。這種特性可能有助于符合某些EMC標準。例如，使用電容量變化較大的電容時，如果Q值很高，則可能存在無法消除目標頻率噪聲的個體。在這種情況下，還有一種通過使用具有低Q的電容來抑制波動影響的手法。
? ②熱風焊盤等的PCB圖形
?

旨在提高散熱性的熱風焊盤等的PCB圖形，圖形的電感分量會增加。電感分量的增加會使諧振頻率向低頻端移動，所以有時可能無法獲得理想的噪聲消除效果。
? ③探討對策時的電容試裝
? 試制后需要對高頻噪聲采取對策，可以考慮增加小容量的電容器。此時，如下圖所示，如果在大容量電容器上安裝要增加的電容器（左例），則縱向會增加額外的電感分量，因此不能充分發(fā)揮增加電容器的效果。在中間的例子中，雖然未違背“盡可能使小容量電容靠近噪聲源”的理論，但阻抗會與實際修改的PCB布局不同。最好的方法是以盡量接近實際修改的配置進行探討（右例）。
?

在探討對策時，也可能會發(fā)生雖然噪聲試驗OK，但安裝到修改后的PCB時NG的現(xiàn)象，因此需要在探討時就有意識地按照實際來安裝。
? ④電容的電容量變化率
? 噪聲對策用的電容的電容量變化率較大時，諧振頻率的波動會變大，目標消減頻段會產(chǎn)生變化或波動，有時很難找到理想的噪聲對策。尤其是需要在窄頻段大幅消除噪聲時，需要格外注意。下表表示電容量變化率和實際的電容量和諧振頻率之間的關(guān)系。仔細看這個表的話可以看出，雖然視條件而定，不過很多情況是無法接受的。
? 電容量變化率（%）
? 電容量（pF）
? 諧振頻率（MHz）

※ ?按L=1nH計算
? ⑤電容器的溫度特性
? 眾所眾知，電容的特性會受溫度影響。目前，EMC測試的溫度特性尚未標準化，但在某些應(yīng)用中，不得不在明顯的高溫或低溫條件/環(huán)境下工作、或在會產(chǎn)生較大溫度變化的條件/環(huán)境下使用。
? 在這類情況下，非常有可能發(fā)生“④電容量變化率”中提到的問題，所以，用于噪聲對策的電容，需要盡量使用具有CH、C0G特性的溫度特性優(yōu)異的產(chǎn)品。

關(guān)鍵要點: ?理解Q與頻率－阻抗特性之間的關(guān)系，并根據(jù)目的區(qū)分Q的差異。
? ?高Q電容窄帶阻抗急劇下降。低Q電容在較寬頻段相對平緩下降。
? ?PCB圖形的熱風焊盤等會增加電感分量，使諧振頻率向低頻端移動。
? ?探討對策時的試裝，如果不按照現(xiàn)實的修改實際安裝，很可能在修改后的PCB板上無法獲得探討時的效果。
? ?電容量變化率大時，諧振頻率會變化，無法獲得目標頻率理想的噪聲消除效果。
? ?在溫度條件和變動較大的嚴苛應(yīng)用中，可以探討使用具有CH、C0G特性的溫度特性優(yōu)異的電容。

總結(jié)

? 要點1：使用多個去耦電容

? 使用多個電容去耦時，使用多個相同容值的電容和交織使用不同容值的電容時，效果是不同的。

? ■使用多個相同容值的電容時

在整個頻率范圍內(nèi)阻抗下降，可有效降低整體噪聲。

? ■使用多個不同容值的電容時

可降低更高頻段的阻抗，可有效降低高頻噪聲。但是需要注意的是，有些頻率會產(chǎn)生反諧振，阻抗反而增高，噪聲反而惡化。

? 要點2：降低電容的ESL

? 如果容量相同，則ESL越低諧振頻率越高，因此通過降低ESL可改善高頻特性，從而可更有效地降低高頻噪聲。

? ■即使容值相同也要使用尺寸較小的電容

ESL取決于電容引腳部位的結(jié)構(gòu)，因此尺寸較小的電容基本上引腳部位也較小，通常ESL較小。當需要降低更高頻段的噪聲時，方法之一是選擇尺寸小的電容。但是，要注意DC偏置特性。

? ■使用旨在降低ESL的電容

積層陶瓷電容中，有些型號采用的是旨在降低ESL的形狀和結(jié)構(gòu)，比如LW逆轉(zhuǎn)型電容、三端電容。
? 去耦電容的有效使用方法：其他注意事項
? ■Q較高的陶瓷電容

當Q值高時，阻抗在特定的窄帶會變得非常低。當Q值低時，阻抗雖然不會極度下降，但可以在較寬的頻段內(nèi)降低。

? ■熱風焊盤等的PCB圖形

旨在提高散熱性的熱風焊盤等的PCB圖形，圖形的電感分量會增加，會使諧振頻率向低頻端移動，所以有時可能無法獲得理想的噪聲消除效果。
? ■探討對策時的電容試裝

增加小容量電容以降低高頻噪聲時，要基于“盡可能使小容量電容靠近噪聲源”的理論，以盡量接近實際修改的配置進行探討。探討時如果和修改后的配置不同，阻抗也會不同，很可能無法獲得評估時的效果。
? ■電容的電容量變化率

噪聲對策用的電容的電容量變化率較大時，諧振頻率的波動會變大，目標消減頻段會產(chǎn)生變化或波動，有時很難找到理想的噪聲對策。尤其是需要在窄頻段大幅消除噪聲時，需要格外注意。
? ■電容的溫度特性

電容的特性會受溫度影響，因此，在明顯的高溫、低溫、較大溫度變化的條件/環(huán)境下使用的應(yīng)用，需要采用溫度特性優(yōu)異的電容。

? 編輯：黃飛

?