原创电容的特征阻抗曲线的理解

 2023-5-12 11:01  630 6 6 分类: 测试测量文集: EMC

电容的阻抗频率曲线，对于我们电磁兼容的电子电子设计，以及EMC整改都是有着巨大的意义。如果，理解不了电容的阻抗特性，那么，我们在做EMC的时候，就可能陷入巨坑。

电容阻抗-频率曲线图

上图是一个典型的电容的阻抗频率曲线图，为什么说它非常重要呢?首先它非常直观，横轴上是频率，纵轴是阻抗，我们能很清楚的看出在各个频率点上，电容的总阻抗是多少。也能知道它在哪个频率点上谐振， ESR是多少。而这些内容，都是我们在选择电容时所必须要了解的。

曲线图的来源
那么，电容曲线图为什么是这样的呢?这是因为电容都不是理想的，它会存在寄生参数，可用简化模型表示。

ESR是等效串联电阻，ESL是等效串联电感，C为理想电容。因此实际电容的阻抗可以用数学公式表示

我们画出这个公式的曲线，就得到一个曲线图。

在频率很低的时候，可以看到，感抗远小于容抗，并且复阻抗的相位为负值，说明电流超前电压，这是典型的电容充电特性，所以说，电容在低频主要表现为容性。

而在高频的时候，感抗远大于容抗，复阻抗的相位为正值，说明电压超前电流，是典型的电感施加电压时的行为特征，所以说，电容在高频时表现为电感特性。

而在谐振时，容抗和感抗相抵为0，此时电容的总阻抗最小，复阻抗相位为0，表现为纯电阻特性，这个点就是电容的自谐振频率。在谐振频率左边，电容主要呈容性，在谐振频率右边，电容主要呈感性。

滤波电容如何选择
电容最广泛的用途就是滤波，那么如何看曲线选电容呢?其实就是选阻抗最低的。

我们知道，整个阻抗曲线呈大V型，只有在谐振频率点附近的阻抗才比较低。所以，实际的去耦电容都有一定的工作频率范围，只有在谐振频率附近，电容才有很好的去耦作用。

可能有人会觉得，在频率比谐振频率高一点的时候，电容都成感性了，都不是电容了，所以不能让噪声的频率大于电容的谐振频率。其实这是错误的，去耦就是要选阻抗低的，阻抗低，在电容上产生的电压波动就小，也就是噪声会小。

常规的MLCC陶瓷电容的曲线图

来看下常规的MLCC陶瓷电容的曲线图。可以看出，不同的电容，曲线是不同的，容量大的ESR要小写，谐振频率低些，主要滤低频。容量小的ESR要大些，谐振频率要高些，主要滤高频。

两种方式组合滤波
实际电路中我们需要去耦的频率范围会比较宽，因此呢一个电容搞不定，那怎么办呢?我们经常有两种方法来解决，一种是使用一个大电容和一个小电容并联，还有一种是使用多个相同的电容并联。那么这两种方法达到的效果分别是怎样的呢?

首先来看大小电容并联。大小两个电容分别有各自的谐振频率f1和f2。

当频率比较低的时候，两个电容都成容性，在频率比较高的时候，两个电容都呈感性，并联后总体阻抗曲线都会保持原来的变化趋势，因此，数值上会比任意一个电容都小。

但是，当频率大于f1并小于f2时，大电容呈感性小电容呈容性，两者并联，就像是一个电感和一个电容并联，构成了LC并联谐振电路，并在某一个频率点发生并联谐振，导致该处阻抗很大。如果负载芯片的电流需求正好落在这个频率，那么会导致电压波动超标。所以，我们需要选好电容的搭配情况。

再来看看相同电容并联的情况，n个相同的电容并联，谐振频率和单个电容一样，但是在谐振点处的阻抗是原来的n分之一，因此，多个相同的电容并联后，阻抗曲线整体形状不变，但是各个频点的整体阻抗变小。