去耦電容的有效使用方法

去耦電容有效使用方法的要點(diǎn)大致可以分為以下兩種。另外，還有其他幾點(diǎn)需要注意。

1：使用多個(gè)去耦電容

去耦電容的有效使用方法之一是用多個(gè)(而非1個(gè))電容進(jìn)行去耦。使用多個(gè)電容時(shí)，使用相同容值的電容時(shí)和交織使用不同容值的電容時(shí)，效果是不同的。

使用多個(gè)容值相同的電容時(shí)

右圖是使用1個(gè)22μF的電容時(shí)(藍(lán)色)、增加1個(gè)變?yōu)?個(gè)時(shí)(紅色)、再增加1個(gè)變?yōu)?個(gè)(紫色)時(shí)的頻率特性。

如圖所示，當(dāng)增加容值相同的電容后，阻抗在整個(gè)頻率范圍均向低的方向轉(zhuǎn)變，也就是說(shuō)阻抗越來(lái)越低。

這一點(diǎn)可通過(guò)思考并聯(lián)連接容值相同的電容時(shí)，到諧振點(diǎn)的容性特性、取決于ESR(等效串聯(lián)電阻)的諧振點(diǎn)阻抗、諧振點(diǎn)以后的ESL(等效串聯(lián)電感)影響的感性特性來(lái)理解。

并聯(lián)的電容容值是相加的，所以3個(gè)電容為66μF，容性區(qū)域的阻抗下降。

諧振點(diǎn)的阻抗是3個(gè)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(diǎn)以后的感性區(qū)域的ESL也是并聯(lián)，因此為

，假設(shè)3個(gè)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(guò)使用多個(gè)相同容值的電容，可在整個(gè)頻率范圍降低阻抗，因此可進(jìn)一步降低噪聲。

使用多個(gè)容值不同的電容時(shí)

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(guò)增加容值更小的電容，可降低高頻段的阻抗。相對(duì)于一個(gè)22μF電容的頻率特性來(lái)說(shuō)，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(diǎn)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(diǎn)。

所增加電容的電容量，一般需要根據(jù)目標(biāo)降噪頻率進(jìn)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(shí)際的噪聲對(duì)策中，需要考慮寄生分量的影響。

2：降低電容的ESL

去耦電容的有效使用方法的第二個(gè)要點(diǎn)是降低電容的ESL(即等效串聯(lián)電感)。雖說(shuō)是“降低ESL”，但由于無(wú)法改變單個(gè)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(guò)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(duì)于積層陶瓷電容(MLCC)，有時(shí)會(huì)準(zhǔn)備容值相同但尺寸不同的幾個(gè)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(jiàn)，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(diǎn)也曾介紹過(guò)。

關(guān)于噪聲對(duì)策，當(dāng)需要降低更高頻段的噪聲時(shí)，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(hào)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(zhǎng)邊側(cè)。由于L(長(zhǎng)度)和W(寬度)相反，故稱“LW逆轉(zhuǎn)型”。是通過(guò)增加電極的寬度來(lái)降低ESL的類型。

三端電容是為了改善普通電容(兩個(gè)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(gè)引腳(電極)的另一端向外伸出作為直通引腳，將另一個(gè)引腳作為GND引腳。在上圖中，輸入輸出電極相當(dāng)于兩端伸出的直通引腳，左右的電極當(dāng)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(hào)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(guò)在噪聲路徑直接插入，有利于降低噪聲(增加插入損耗)。

通過(guò)在長(zhǎng)邊側(cè)成對(duì)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。

3：其他注意事項(xiàng)

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(dāng)Q值高時(shí)，阻抗在特定的窄帶會(huì)變得非常低。當(dāng)Q值低時(shí)，阻抗雖然不會(huì)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(biāo)準(zhǔn)。例如，使用電容量變化較大的電容時(shí)，如果Q值很高，則可能存在無(wú)法消除目標(biāo)頻率噪聲的個(gè)體。在這種情況下，還有一種通過(guò)使用具有低Q的電容來(lái)抑制波動(dòng)影響的手法。

②熱風(fēng)焊盤等的PCB圖形

旨在提高散熱性的熱風(fēng)焊盤等的PCB圖形，圖形的電感分量會(huì)增加。電感分量的增加會(huì)使諧振頻率向低頻端移動(dòng)，所以有時(shí)可能無(wú)法獲得理想的噪聲消除效果。

③探討對(duì)策時(shí)的電容試裝

試制后需要對(duì)高頻噪聲采取對(duì)策，可以考慮增加小容量的電容器。此時(shí)，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(huì)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(huì)與實(shí)際修改的PCB布局不同。最好的方法是以盡量接近實(shí)際修改的配置進(jìn)行探討(右例)。

在探討對(duì)策時(shí)，也可能會(huì)發(fā)生雖然噪聲試驗(yàn)OK，但安裝到修改后的PCB時(shí)NG的現(xiàn)象，因此需要在探討時(shí)就有意識(shí)地按照實(shí)際來(lái)安裝。

④電容的電容量變化率

噪聲對(duì)策用的電容的電容量變化率較大時(shí)，諧振頻率的波動(dòng)會(huì)變大，目標(biāo)消減頻段會(huì)產(chǎn)生變化或波動(dòng)，有時(shí)很難找到理想的噪聲對(duì)策。尤其是需要在窄頻段大幅消除噪聲時(shí)，需要格外注意。下表表示電容量變化率和實(shí)際的電容量和諧振頻率之間的關(guān)系。仔細(xì)看這個(gè)表的話可以看出，雖然視條件而定，不過(guò)很多情況是無(wú)法接受的。

電容量變化率(%)電容量(pF)諧振頻率(MHz)

+201,200145

+101,100152

+51,050155

±01,000159

-5950163

-10900168

-20800178

※ 按L=1nH計(jì)算

⑤電容器的溫度特性

眾所眾知，電容的特性會(huì)受溫度影響。目前，EMC測(cè)試的溫度特性尚未標(biāo)準(zhǔn)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(huì)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(wèn)題，所以，用于噪聲對(duì)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(diǎn)：

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(duì)平緩下降。

PCB圖形的熱風(fēng)焊盤等會(huì)增加電感分量，使諧振頻率向低頻端移動(dòng)。

探討對(duì)策時(shí)的試裝，如果不按照現(xiàn)實(shí)的修改實(shí)際安裝，很可能在修改后的PCB板上無(wú)法獲得探討時(shí)的效果。

電容量變化率大時(shí)，諧振頻率會(huì)變化，無(wú)法獲得目標(biāo)頻率理想的噪聲消除效果。

在溫度條件和變動(dòng)較大的嚴(yán)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。

審核編輯：湯梓紅