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”。检测电容找乃棠,电容检测哪家好,电容检测是乃棠,乃棠检测电容,容值测试,阻抗测试,IR值检测。
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。
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。检测电容找乃棠,电容检测哪家好,电容检测是乃棠,乃棠检测电容,容值测试,阻抗测试,IR值检测。

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容值和ESL越小,谐振频率越高,高频区域的阻抗越低。
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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)。
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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)。
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容值和ESL越小,谐振频率越高,高频区域的阻抗越低。
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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。检测电容找乃棠,电容检测哪家好,电容检测是乃棠,乃棠检测电容,容值测试,阻抗测试,IR值检测。
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。检测电容找乃棠,电容检测哪家好,电容检测是乃棠,乃棠检测电容,容值测试,阻抗测试,IR值检测。

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。
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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。

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。检测电容找乃棠,电容检测哪家好,电容检测是乃棠,乃棠检测电容,容值测试,阻抗测试,IR值检测。
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。

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。
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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。
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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。检测电容找乃棠,电容检测哪家好,电容检测是乃棠,乃棠检测电容,容值测试,阻抗测试,IR值检测。
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。检测电容找乃棠,电容检测哪家好,电容检测是乃棠,乃棠检测电容,容值测试,阻抗测试,IR值检测。
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。
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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。
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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。
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有的电容虽然容值相同,但因尺寸和结构不同而ESL更小。