從學(xué)電子開始,就免不了要跟電容打交道。只要涉及濾波、去耦、旁路之類的,就必不可少會用到電容。
記得剛工作的時(shí)候,參考老師傅的5V-Buck電路,輸出端就是經(jīng)典的10uF+1uF+100nF的大小容值組合。
當(dāng)時(shí)問帶班的師傅,為啥這樣組合?他給出的解釋是:大電容在穩(wěn)壓的同時(shí),還濾除低頻干擾,小電容濾除高頻干擾。
然后我又百度找了一下資料,大部分也是這樣的回復(fù):小電容濾掉頻率比較高的信號,通過的信號的頻率就是在這兩個(gè)電容濾掉之間那一段。
大電容是電解電容,有極性,對交流電不起作用,對不平滑的直流電濾波,使之趨于平滑。小電容是無極電容,是濾除交流高頻雜波。
這些看起來都是很有道理的,畢竟從電容的容抗特性來看,這種解釋是很有對的。旁路就是在信號源出增加一個(gè)低阻抗路徑,將瞬態(tài)能量分量到地的做法。
但是,隨著工作經(jīng)驗(yàn)的累積,我覺得這種簡單的大小電容容值的并聯(lián),有時(shí)候不僅起不到濾波的作用,反而會帶來一些負(fù)面的影響。
尤其是系統(tǒng)速度增加時(shí),適用于與較低的系統(tǒng)速度和較慢的邏輯要求設(shè)計(jì)的電路,使用不同容值的并聯(lián)做法會帶來一些問題,比如增加RFI/EMI的問題、降低噪聲容限等等。
因?yàn)殡娙莸膶?shí)際模型是R-L-C的串并聯(lián)組合,基于這種實(shí)際電容模型,就知道電容的阻抗曲線是有諧振點(diǎn),這在電容的Datasheet的手冊上面也能獲取。
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既然電容存在諧振點(diǎn),那么對于不同容值的電容組合,就容易產(chǎn)生如下圖所示的反諧振。這樣不僅對濾波沒有幫助,反而會帶來壞處。
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所以,在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中,還是盡可能選用一個(gè)電容值。即使需要多個(gè)不同容值的電容并聯(lián),也需要根據(jù)電容的諧振特性選擇,從而匹配濾除噪聲的頻率特性。
電容在EMI的調(diào)試中經(jīng)常使用,下圖是調(diào)試一個(gè)5V-Buck電路中測試到的頻譜圖,頻譜儀的底噪是38dbuV左右的。
很明顯,在280MHz附近有一個(gè)尖峰59dbuV,噪聲的幅值是1mV,需要濾除。一般的做法是,在電源的輸入線對地并聯(lián)一個(gè)3.3nF左右的電容,對于f=280MHz, 其阻抗Zc=1/(2*pai*f*c)=1.7Ω,同時(shí)參考電容的阻抗曲線,選擇諧振點(diǎn)在280MHz附件,形成一個(gè)低阻抗通路,所以應(yīng)該是有效果的。
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通過增加了一個(gè)3.3nF電容,280MHz附近的尖峰41dbuV,噪聲的幅值是0.1mV對于f=280MHz的幅值從59dbuV降低到41dbuV,降低了18dbuV,這個(gè)說明改進(jìn)是有效果的。
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電容濾除noise signal,一般就是RC低通濾波器的形式實(shí)現(xiàn),但是在選型3.3nF的電容時(shí)候,并沒有電阻R,我的理解是,噪聲源的內(nèi)阻充當(dāng)了電阻R,如果噪聲源的內(nèi)阻很小,選型3.3nF的電容也不起作用。 下圖是以理想電容模型仿真,可以看到,當(dāng)內(nèi)阻很小的時(shí)候,即使濾波電容的容抗很小,但是和內(nèi)阻分壓,還是會造成濾波效果差。
所以,在EMI改進(jìn)的時(shí)候,即使選擇電容的諧振點(diǎn)是濾除噪聲的頻帶,其濾除效果依然不怎么好。這個(gè)時(shí)候,應(yīng)該要對噪聲源的源內(nèi)阻做一些分析。
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上圖是使用理想電容模型做分析,那么如果用實(shí)際電容模型來仿真,效果又是怎樣的?
如下圖所示,顯然,從仿真結(jié)果來看,實(shí)際電容模型和理想電容模型差距是巨大的,有相同點(diǎn),也有不同點(diǎn)。
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相同點(diǎn):噪聲源的源內(nèi)阻越大,幅頻曲線衰減越多。
不同點(diǎn):幅頻曲線不是以20dB/10dec持續(xù)滾降。這也就是說實(shí)際電容模型不是單極點(diǎn)模型。這是由于電容存在ESR,在高頻會提供一個(gè)零點(diǎn),所以在高頻出,幅頻曲線不會再滾降的。
在這個(gè)EMI的改進(jìn)過程中,很巧的是加一個(gè)3.3nF電容,就將280MHz的噪聲幅值降低了,可能這個(gè)噪聲源的源阻抗有10Ω左右,因此可以在280MHz有一個(gè)20dB的衰減。
需要說明一點(diǎn),關(guān)于噪聲源的源阻抗是自己的一個(gè)理解,也不一定正確。對此,歡迎大家在文末留言,一起交流討論。
由于280MHz的噪聲幅值是41dbuV,還沒有達(dá)到底噪的38dbuV,還有一個(gè)細(xì)小的凸包。更換一個(gè)不同阻抗曲線的電容,應(yīng)該可以得到改進(jìn)。
但是,在電源線加一個(gè)電感,組成LC二階濾波器,以40dB/10dec的滾降斜率,濾波效果會更好的:
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通過仿真的結(jié)果來看,確實(shí)在280MHz的頻率出,幅頻曲線是-45dB,相對RC的一階濾波器的-24dB,提高了20dB的衰減。
這個(gè)看來在EMI的改進(jìn)中,僅僅依靠電容完全濾除噪聲有些難度,所以需要加上共模電感,磁珠之類的磁性元件才有效果的。
EMI的改進(jìn)需要使用頻譜儀邊測試邊分析,找出是電場干擾還是磁場干擾,相應(yīng)的添加元件,才能見效快的。
審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:電容到底怎么用才合適?看完秒懂!
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