干货|使用去耦电容要注意的这些事儿,你都知道吗?

电子工程世界 2023-10-10 09:00
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去耦电容是电路中装设在元件的电源端的电容,此电容可以提供较稳定的电源,同时也可以降低元件耦合到电源端的噪声,间接可以减少其他元件受此元件噪声的影响。


 使用多个去耦电容 


使用多个去耦电容时,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。


①使用多个容值相同的电容时

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。


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。


②使用多个容值不同的电容时

如下图,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。


 降低电容的ESL 


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。


①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。


更小的封装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。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。


②降低ESL的电容

陶瓷电容中,有些型号采用的是旨在降低ESL的形状和结构。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。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。


 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。

Q值高,阻抗在特定的窄带会变得非常低。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电容排布

高频噪声采取对策,可以考虑增加小容量的电容,同时遵循“尽可能使小容量电容靠近噪声源”。


③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。


④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“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。


来源:8号线攻城狮

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