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。
01 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個變為2個時(紅色)、再增加1個變為3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變,也就是說阻抗越來越低。
這一點可通過思考并聯連接容值相同的電容時,到諧振點的容性特性、取決于ESR(等效串聯電阻)的諧振點阻抗、諧振點以后的ESL(等效串聯電感)影響的感性特性來理解。
并聯的電容容值是相加的,所以3個電容為66μF,容性區域的阻抗下降。
諧振點的阻抗是3個電容的ESR并聯,因此為,假設這些電容的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域的ESL也是并聯,因此為,假設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的電容基礎上并聯增加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,有些頻率點產生反諧振,阻抗反而增高,EMI惡化。反諧振發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。
02 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(即等效串聯電感)。雖說是“降低ESL”,但由于無法改變單個產品的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構。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,感性區域的阻抗特性取決于ESL,這一點也曾介紹過。
關于噪聲對策,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的形狀和結構。
如圖所示,普通電容的電極在短邊側,而LW逆轉型的電極則相反,在長邊側。由于L(長度)和W(寬度)相反,故稱“LW逆轉型”。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)的頻率特性而優化了結構的電容。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通的。這種輸入輸出電極(直通引腳)和GND電極間存在電介質,起到電容的作用。
將輸入輸出電極串聯插入電源或信號線(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)。
通過在長邊側成對配置GND電極,可抑制ESL;再采用并聯的方式,可使ESL減半。
基于這樣的結構,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。
03 其他注意事項
①Q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,也可能會發生雖然噪聲試驗OK,但安裝到修改后的PCB時NG的現象,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) |
---|---|---|
+20 | 1,200 | 145 |
+10 | 1,100 | 152 |
+5 | 1,050 | 155 |
±0 | 1,000 | 159 |
-5 | 950 | 163 |
-10 | 900 | 168 |
-20 | 800 | 178 |
※ 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,但在某些應用中,不得不在明顯的高溫或低溫條件/環境下工作、或在會產生較大溫度變化的條件/環境下使用。
在這類情況下,非常有可能發生“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特性的溫度特性優異的產品。
編輯:黃飛
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原文標題:總結:去耦電容的有效使用方法
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