开关电源使用电容降噪
0 2024-02-23

前面我们讲了开关电源EMC降噪措施概览(EMC基础-开关电源降噪措施概览),其中提到用滤波器件降噪,电容就是其中之一。在介绍电容降噪之前,我们先简单回顾一下电容的频率特性。

  • 电容的频率特性

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。下图为电容器的阻抗和频率之间的关系示意图,这是电容器最基础的特性之一。

电容器中不仅存在电容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),这几个参数都是电容器的寄生参数。还需要注意的是:有时候我们要想通过测试来建立等效电容模型,就可以利用上图的等效电路进行建模,这一点我们后面再讲。

C和ESL形成串联谐振电路,现实中的电容器的阻抗呈上图所示的V字型频率特性。到谐振频率之前呈容性,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。

谐振频率可通过该公式计算: 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。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(谐振往高频转移);
  • 容值越大,容性区域的阻抗越低;
  • ESR越小,谐振频率处的阻抗越低;
  • 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(后面介绍原因),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。降噪选择用电容器时,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)。
  • 电容降噪案例
下面我们通过一个例子来了解电容降噪的过程。上图是在电路的输出端接22uF电容后的输出波形,可以看到噪声PP值大约180mV,我们再加2.2nF的电容后看看效果:从波形图可以看出,添加2.2nF的电容使噪声降低了100mV左右。但我们要问的是why?为什么是2.2nF的电容?要回答这个问题,我们来看看上面采用的2.2nF电容的阻抗曲线:之所以选择2.2nF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。当然,这里是在工程实践上的折中,理论上来讲:如果有一颗电容的阻抗在200M时最低,那么它的降噪效果对该电路来说更出色。所以,透过这个例子我们就了解电容降噪的过程,即:当电容的的谐振频率和噪声的频率相近时(此时电容是一个低阻路径),利用电容将不需要的噪声(交流分量)经由信号、电源线旁路到GND去。注意: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,并选择具有相近频率特性的电容器。参考资料:ROhm Tech Web###工程文件下次文章附链接###


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