去耦電容有效使用方法分為兩種:
使用多個去耦電容
使用多個去耦電容時,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。
①使用多個容值相同的電容時
當(dāng)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。
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。
②使用多個容值不同的電容時
如下圖,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(biāo)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。
降低電容的ESL
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。
①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(zhǔn)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。
更小的封裝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。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。
②降低ESL的電容
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)。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。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。
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。
Q值高,阻抗在特定的窄帶會變得非常低。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(biāo)準(zhǔn)。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(biāo)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電容排布
高頻噪聲采取對策,可以考慮增加小容量的電容,同時遵循“盡可能使小容量電容靠近噪聲源”。
③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(biāo)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。
④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(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“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。
責(zé)任編輯:彭菁
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原文標(biāo)題:去耦電容使用的基礎(chǔ)知識
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