如何使用电容来降低开关电源噪声

电子芯期天 2023-04-01 07:30

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开关电源输入用共模滤波器中包括电容器、电感、铁氧体磁珠和电阻等部件。接下来将对其中使用电容和电感降噪的对策进行介绍，这也可以称为“噪声对策的基础”。在这里使用简单的四元件模型。如果要进一步表达高频谐振时，可能需要更多的元件模型。

电容的频率特性

探讨利用电容器来降低噪声时，充分了解电容器的特性是非常重要的。右下图为电容器的阻抗和频率之间的关系示意图，是电容器最基础的特性之一。

电容器中不仅存在电容量C，还存在电阻分量ESR（等效串联电阻）、电感分量ESL（等效串联电感）、与电容并联存在的EPR（等效并联电阻）。EPR与电极间的绝缘电阻IR或电极间有漏电流的具有相同的意义。可能一般多使用“IR”。

C和ESL形成串联谐振电路，电容器的阻抗原则上呈上图所示的V字型频率特性。到谐振频率之前呈容性特性，阻抗下降。谐振频率的阻抗取决于ESR。过了谐振频率之后，阻抗特性变为感性，阻抗随着频率升高而升高。感性阻抗特性取决于ESL。

谐振频率可通过以下公式计算。

从该公式可以看出，容值越小、ESL越低的电容器，谐振频率越高。如果将其应用于噪声消除，则容值越小、ESL越低的电容器，频率越高，阻抗越低，因此可以很好地消除高频噪声。

虽然这里说明的顺序有些前后颠倒，不过使用电容器降低噪声的对策，是利用了电容器“交流通过时频率越高越容易通过”这个基本特性，将不需要的噪声（交流分量）经由信号、电源线旁路到GND等。

下图为不同容值的电容器的阻抗频率特性。在容性区域，容值越大，阻抗越低。另外，容值越小，谐振频率越高，在感性区域阻抗越低。

下面总结一下电容器阻抗的频率特性。

容值和ESL越小，谐振频率越高，高频区域的阻抗越低。
容值越大，容性区域的阻抗越低。
ESR越小，谐振频率的阻抗越低。
ESL越小，感性区域的阻抗越低。

简单来说，阻抗低的电容器具有出色的噪声消除能力，不同的电容器其阻抗的频率特性也不同，所以这一特性是非常重要的确认要点。选择降噪用电容器时，请根据阻抗的频率特性来选型（而非容值）。

选择降噪用电容器时，确认频率特性需要意识到连接的是LC的串联谐振电路（而非电容）。

关键要点:

・降噪用电容器的选型需要根据阻抗的频率特性进行（而非容值）。

・容值和ESL越小，谐振频率越高，高频区域的阻抗越低。

・容值越大，容性区域的阻抗越低。

・ESR越小，谐振频率的阻抗越低。

・ESL越小，感性区域的阻抗越低。

下面将介绍采用电容器来降低噪声时的概要和示意图。

使用电容器降低噪声

噪声分很多种，性质也是多种多样的。所以，噪声对策（即降低噪声的方法）也多种多样。在这里主要谈开关电源相关的噪声，因此，请理解为DC电压中电压电平较低、频率较高的噪声。另外，除电容外，还有齐纳二极管和噪声/浪涌/ESD抑制器等降噪部件。不同的噪声性质，所需要的降噪部件也各不相同。如果是DC/DC转换器，多数会根据其电路和电压电平，用LCR来降低噪声。

使用电容器降低噪声的示意图

下面是通过添加电容器来降低DC/DC转换器输出电压噪声的示例。

左侧的波形是输出端LC滤波器的电容为22µF时，在约200MHz的频率范围存在180mVp-p左右的噪声（振铃、反射）。右侧波形是为了降低这种噪声而添加了2200pF电容后的结果。从波形图可以看出，添加2200pF的电容使噪声降低了100mV左右。

这里应该思考的是“为什么是2200pF”。右下图为所添加电容器的阻抗频率特性。

之所以选择2200pF的电容，是因为阻抗在160MHz附近最低，利用这种阻抗特性，可降低噪声幅度约2MHz。这是通过添加电容器来降低目标噪声频率的阻抗，从而降低噪声幅度的手法。像这样通过添加电容器来降低噪声时，需要把握噪声（振铃、反射）的频率，并选择具有相应阻抗的频率特性的电容器。

本文简单介绍了利用电容器来降低噪声的对策。下一篇文章将介绍去耦电容的有效使用方法。

关键要点:

・通过降低目标噪声频率的阻抗来降低噪声幅度。

・降噪用电容器的选型需要根据阻抗的频率特性进行（而非容值）。

去耦电容的有效使用方法

去耦电容有效使用方法的要点大致可以分为以下两种。另外，还有其他几点需要注意。本文就以下三点中的“要点1”进行介绍。

・要点1：使用多个去耦电容
・要点2：降低电容的ESL（等效串联电感）
・其他注意事项

要点1：使用多个去耦电容

去耦电容的有效使用方法之一是用多个（而非1个）电容进行去耦。使用多个电容时，使用相同容值的电容时和交织使用不同容值的电容时，效果是不同的。

・使用多个容值相同的电容时

右图是使用1个22µF的电容时（蓝色）、增加1个变为2个时（红色）、再增加1个变为3个（紫色）时的频率特性。如图所示，当增加容值相同的电容后，阻抗在整个频率范围均向低的方向转变，也就是说阻抗越来越低。这一点可通过思考并联连接容值相同的电容时，到谐振点的容性特性、取决于ESR（等效串联电阻）的谐振点阻抗、谐振点以后的ESL（等效串联电感）影响的感性特性来理解。并联的电容容值是相加的，所以3个电容为66µF，容性区域的阻抗下降。

谐振点的阻抗是3个电容的ESR并联，因此为

，假设这些电容的ESR全部相同，则ESR减少至1/3，阻抗也下降。

谐振点以后的感性区域的ESL也是并联，因此为

，假设3个电容的ESL全部相同，则ESL减少至1/3，阻抗也下降。

由此可知，通过使用多个相同容值的电容，可在整个频率范围降低阻抗，因此可进一步降低噪声。

・使用多个容值不同的电容时

这些曲线是在22µF的电容基础上并联增加0.1µF、以及0.01µF的电容后的频率特性。通过增加容值更小的电容，可降低高频段的阻抗。相对于一个22µF电容的频率特性来说，0.1µF和0.01µF的特性是合成后的特性（红色虚线）。这里必须注意的是，有些频率点产生反谐振，阻抗反而增高，EMI恶化。反谐振发生于容性特性和感性特性的交叉点。

所增加电容的电容量，一般需要根据目标降噪频率进行选型。

另外，在这里给出的频率特性波形图是理想的波形图，并未考虑PCB板的布局布线等引起的寄生分量。在实际的噪声对策中，需要考虑寄生分量的影响。下一篇文章将介绍第2个要点。

关键要点:

・去耦电容的有效使用方法有两个要点：①使用多个电容，②降低电容的ESL。

・使用多个电容时，容值相同时和不同时的效果不同。

要点2：降低电容的ESL

去耦电容的有效使用方法的第二个要点是降低电容的ESL（即等效串联电感）。虽说是“降低ESL”，但由于无法改变单个产品的ESL本身，因此这里是指“即使容值相同，也要使用ESL小的电容”。通过降低ESL，可改善高频特性，并可更有效地降低高频噪声。

・即使容值相同也要使用尺寸较小的电容

对于积层陶瓷电容（MLCC），有时会准备容值相同但尺寸不同的几个封装。ESL取决于引脚部位的结构。尺寸较小的电容基本上引脚部位也较小，通常ESL较小。

右图是容值相同、大小不同的电容的频率特性示例。如图所示，更小的1005尺寸的谐振频率更高，在之后感性区域的频率范围阻抗较低。这正如在“电容的频率特性”中所介绍的，电容的谐振频率是基于以下公式的，从公式中可见，只要容值相同，ESL越低谐振频率越高。另外，感性区域的阻抗特性取决于ESL，这一点也曾介绍过。

关于噪声对策，当需要降低更高频段的噪声时，可以选择尺寸小的电容。

・使用旨在降低ESL的电容

积层陶瓷电容中，有些型号采用的是旨在降低ESL的形状和结构。

如图所示，普通电容的电极在短边侧，而LW逆转型的电极则相反，在长边侧。由于L（长度）和W（宽度）相反，故称“LW逆转型”。是通过增加电极的宽度来降低ESL的类型。

三端电容是为了改善普通电容（两个引脚）的频率特性而优化了结构的电容。三端电容是将双引脚电容的一个引脚（电极）的另一端向外伸出作为直通引脚，将另一个引脚作为GND引脚。在上图中，输入输出电极相当于两端伸出的直通引脚，左右的电极当然是导通的。这种输入输出电极（直通引脚）和GND电极间存在电介质，起到电容的作用。

将输入输出电极串联插入电源或信号线（将输入输出电极的一端连接输入端，另一端连接输出端），GND电极接地。这样，由于输入输出电极的ESL不包括在接地端，因此接地的阻抗变得非常低。另外，输入输出电极的ESL通过在噪声路径直接插入，有利于降低噪声（增加插入损耗）。

通过在长边侧成对配置GND电极，可抑制ESL；再采用并联的方式，可使ESL减半。

基于这样的结构，三端电容不仅具有非常低的ESL，而且可保持低ESR，与相同容值相同尺寸的双引脚型电容相比，可显著改善高频特性。

下一章计划对相关的几点注意事项进行介绍。

关键要点:

・去耦电容的有效使用方法有两个要点：①使用多个电容，②降低电容的ESL。

・通过降低电容的ESL，可改善高频特性，并可更有效地降低高频噪声。

・有的电容虽然容值相同，但因尺寸和结构不同而ESL更小。

去耦电容的有效使用方法：其他注意事项

①Q较高的陶瓷电容

电容具有被称为“Q”的特性。下图即表示Q和频率－阻抗特性之间的关系。

当Q值高时，阻抗在特定的窄带会变得非常低。当Q值低时，阻抗虽然不会极度下降，但可以在很宽的频段内降低。这种特性可能有助于符合某些EMC标准。例如，使用电容量变化较大的电容时，如果Q值很高，则可能存在无法消除目标频率噪声的个体。在这种情况下，还有一种通过使用具有低Q的电容来抑制波动影响的手法。

②热风焊盘等的PCB图形

旨在提高散热性的热风焊盘等的PCB图形，图形的电感分量会增加。电感分量的增加会使谐振频率向低频端移动，所以有时可能无法获得理想的噪声消除效果。

③探讨对策时的电容试装

试制后需要对高频噪声采取对策，可以考虑增加小容量的电容器。此时，如下图所示，如果在大容量电容器上安装要增加的电容器（左例），则纵向会增加额外的电感分量，因此不能充分发挥增加电容器的效果。在中间的例子中，虽然未违背“尽可能使小容量电容靠近噪声源”的理论，但阻抗会与实际修改的PCB布局不同。最好的方法是以尽量接近实际修改的配置进行探讨（右例）。

在探讨对策时，也可能会发生虽然噪声试验OK，但安装到修改后的PCB时NG的现象，因此需要在探讨时就有意识地按照实际来安装。

④电容的电容量变化率

噪声对策用的电容的电容量变化率较大时，谐振频率的波动会变大，目标消减频段会产生变化或波动，有时很难找到理想的噪声对策。尤其是需要在窄频段大幅消除噪声时，需要格外注意。下表表示电容量变化率和实际的电容量和谐振频率之间的关系。仔细看这个表的话可以看出，虽然视条件而定，不过很多情况是无法接受的。

电容量变化率（%）

电容量（pF）

谐振频率（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计算

⑤电容器的温度特性

众所众知，电容的特性会受温度影响。目前，EMC测试的温度特性尚未标准化，但在某些应用中，不得不在明显的高温或低温条件/环境下工作、或在会产生较大温度变化的条件/环境下使用。

在这类情况下，非常有可能发生“④电容量变化率”中提到的问题，所以，用于噪声对策的电容，需要尽量使用具有CH、C0G特性的温度特性优异的产品。

关键要点:

・理解Q与频率－阻抗特性之间的关系，并根据目的区分Q的差异。

・高Q电容窄带阻抗急剧下降。低Q电容在较宽频段相对平缓下降。

・PCB图形的热风焊盘等会增加电感分量，使谐振频率向低频端移动。

・探讨对策时的试装，如果不按照现实的修改实际安装，很可能在修改后的PCB板上无法获得探讨时的效果。

・电容量变化率大时，谐振频率会变化，无法获得目标频率理想的噪声消除效果。

・在温度条件和变动较大的严苛应用中，可以探讨使用具有CH、C0G特性的温度特性优异的电容。

总结

要点1：使用多个去耦电容

使用多个电容去耦时，使用多个相同容值的电容和交织使用不同容值的电容时，效果是不同的。

■使用多个相同容值的电容时
在整个频率范围内阻抗下降，可有效降低整体噪声。

■使用多个不同容值的电容时
可降低更高频段的阻抗，可有效降低高频噪声。但是需要注意的是，有些频率会产生反谐振，阻抗反而增高，噪声反而恶化。

要点2：降低电容的ESL

如果容量相同，则ESL越低谐振频率越高，因此通过降低ESL可改善高频特性，从而可更有效地降低高频噪声。

■即使容值相同也要使用尺寸较小的电容
ESL取决于电容引脚部位的结构，因此尺寸较小的电容基本上引脚部位也较小，通常ESL较小。当需要降低更高频段的噪声时，方法之一是选择尺寸小的电容。但是，要注意DC偏置特性。

■使用旨在降低ESL的电容
积层陶瓷电容中，有些型号采用的是旨在降低ESL的形状和结构，比如LW逆转型电容、三端电容。

去耦电容的有效使用方法：其他注意事项

■Q较高的陶瓷电容
当Q值高时，阻抗在特定的窄带会变得非常低。当Q值低时，阻抗虽然不会极度下降，但可以在较宽的频段内降低。

■热风焊盘等的PCB图形
旨在提高散热性的热风焊盘等的PCB图形，图形的电感分量会增加，会使谐振频率向低频端移动，所以有时可能无法获得理想的噪声消除效果。

■探讨对策时的电容试装
增加小容量电容以降低高频噪声时，要基于“尽可能使小容量电容靠近噪声源”的理论，以尽量接近实际修改的配置进行探讨。探讨时如果和修改后的配置不同，阻抗也会不同，很可能无法获得评估时的效果。

■电容的电容量变化率
噪声对策用的电容的电容量变化率较大时，谐振频率的波动会变大，目标消减频段会产生变化或波动，有时很难找到理想的噪声对策。尤其是需要在窄频段大幅消除噪声时，需要格外注意。

■电容的温度特性
电容的特性会受温度影响，因此，在明显的高温、低温、较大温度变化的条件/环境下使用的应用，需要采用温度特性优异的电容。

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