静噪基础教程连载——EMI静噪滤波器(四):电容器的实际特性前篇

本节讨论为何简单旁路电容器的降噪特性与基本特性不同。了解其中的缘由,可以帮助您以较低成本构建提供卓越降噪性能的过滤器,并选择具有良好成本效益的部件。

6-5-1. 观察旁路电容器运行

(1) 将噪声电流旁路到地

某些由电容器构成的降噪滤波器使用旁路电容器。如图1所示,旁路电容通过将噪声电流旁路到地来消除噪声。

图1 旁路电容器运行

图1 旁路电容器运行

(2) 阻抗越小,噪声降低越大

旁路电容器的阻抗越小,电流越容易流动 (图1中的 (1) ) 。这意味着将消除更多的噪声。换言之,插损增加。


例如,如果比较第6-4节中引入的1,000pF电容器的插损和阻抗,则图形的形状将大致相同,如图2所示。这是因为在阻抗为25Ω或更低的频率处出现3dB的插损,而在高于该范围的频率中阻抗越低,插损将越大。

图2 电容器阻抗与插损之间的关系

图2 电容器阻抗与插损之间的关系

(3) 电容器的降噪效果以其阻抗表示

因此,在衰减范围内,电容器的降噪效果可以用阻抗表示。为使解释简单化,本讨论将仅考虑阻抗。


您可能会注意到电容器的阻抗与频率和静电电容成反比。正因为如此,在绘制图形时,阻抗形成简单的向下倾斜线,如图2 (a) 的理论值所示。这些理论值将在之后的图表中被称为“理想电容”,并且将用于比较目的。

(4) 实际电容器阻抗测量的示例

图3显示从几个电容器测量的实际阻抗的示例。图中显示一个薄膜电容器,一些MLCC和一个电解电容器。


MLCC和薄膜电容器看起来相似,因为它们都形成大致的V形曲线。电解电容器在底部形成圆的U形曲线。这表明图2中1,000pF电容器所示趋势是所有电容器共有的。下面说明形成这种形状的原因。


不过注意,此处使用的测量值仅是一些示例用以证明趋势,并且该值可能因产品而异。

图3 电容器频率特性的示例 图3 电容器频率特性的示例

图3 电容器频率特性的示例

(5) 静电电容越大,阻抗越小

下面描述给定类型的电容器静电电容发生变化的情况。


图4显示当MLCC (1608尺寸SMD) 的静电电容以每个步幅10的系数 (标称值) 从1000pF变化到1μF时发生的情况。为了进行比较,用虚线表示理想电容器的阻抗。


如图所示,电容器的阻抗形成左侧部分非常接近理想电容器的V形曲线,并且各静电电容的线按顺序整齐排列。在这些频率下,电容器可以看作是简单的静电电容元件。

图4 各容量时MLCC (1608尺寸) 阻抗的示例

图4 各容量时MLCC (1608尺寸) 阻抗的示例

6-5-2. 电容器等效电路

(1) 高频处的阻抗可能集中为大约相同的值

仔细观察图4中的图表,会发现所显示V形曲线的右侧 (高频侧) 集中在大致相同的位置处,而与电容器无关。


图5是在图4的图表上重叠一个0.5nH电感的阻抗 (虚线) ,以进行比较。奇怪的是,电容器的测量阻抗 (V形曲线的右侧) 大致集中在这条线上。换句话说,此处测量的电容器 (MLCC) 在高频下显示大约0.5nH的电感。

图5 电容器阻抗与ESL之间的关系

图5 电容器阻抗与ESL之间的关系

(2) 考虑ESL的等效电路

该电感称为电容器的ESL (等效串联电感) 。为了在等效电路中表示采用ESL的电容器,ESL串联连接到静电电容 (Cap) ,如图6所示。

图6 仅考虑ESL的电容器等效电路

图6 仅考虑ESL的电容器等效电路

请注意,虽然图5中使用0.5nH的ESL,该值将根据电容器而变化。在图5中使用相同尺寸的MLCC,所以ESL大约为相同值。使用不同的电容器将产生明显不同的值。

(3) 自谐振

如前所述,电容器阻抗通常形成V形特性曲线,因此最小点在曲线的中心部分。这种性质被称为电容器的自谐振,可以解释为在图6的等效电路中Cap和ESL之间发生的串联谐振。最小点的频率被称为SRF (自谐振频率) 。


顺便提及,使用图6所示等效电路计算阻抗,会导致在自谐振频率处形成零阻抗。换句话说,实际电容器可以在该频率下表现出比理想电容器更小的阻抗。

(4) ESR

当然,实际电容器将表现出较小的损耗,因此即使在自谐振频率下,阻抗也不会完全为零。为了表示这种损耗,作为电阻值的ESR (等效串联电阻) 通常包括在电容器等效电路中,如图7所示。

图7 考虑ESL和ESR的电容器等效电路

图7 考虑ESL和ESR的电容器等效电路

ESR越小,损耗越小,电容器的性能越好。图8例举了具有不同ESR的MLCC的阻抗值。这表明谐振电路中使用的温度补偿电容器的自谐振频率阻抗比通用的高介电常数电容器的自谐振频率阻抗小得多。这是因为拥有温度补偿特性的电容器具有较低的ESR。


请注意,当电容器自谐振时,其阻抗表示电容器的ESR值。这是因为,在图7中,Cap和ESL的阻抗相互抵消,最终变为零。

图8 带不同ESR的电容器的示例

图8 带不同ESR的电容器的示例

(5) 等效电路证明的阻抗属性

图9 (a) 总结了到目前为止已经涵盖的内容。


在较低频率处的阻抗大致与理想电容器的阻抗相同。这是因为静电电容阻抗在总阻抗值中所占比例很大,因此ESL和ESR的影响可以忽略。在这种状态下的电容器被称为“电容”,并且其阻抗与频率和静电电容成反比。


在较高频率处的阻抗大致与ESL阻抗相同。这是因为该阻抗的比率在较高频率下较大。在此状态下,电容器被称为“电感”,并且阻抗与频率成正比。


自谐振频率是电容器从电容切换到电感的区域,并且也是阻抗的最小点。在这种状态下的阻抗等于ESR。


作为示例,图9 (b) 显示以插入等效电路中的0.1uF MLCC的代表值计算阻抗的结果。如 (a) 所示,总阻抗值遵循每个元件的阻抗。

图9 电容器阻抗频率特性

图9 电容器阻抗频率特性

(6) 等效电路的可靠性如何?

图10显示了与图9 (b) 的示例计算重叠的1608尺寸MLCC的实际测量值。该图表明,即使使用相对近似的常数进行计算,LCR系列等效电路 (如图7所示) 与测量值紧密匹配,可以再现实际特性。
注意,为了更准确地再现实际特性,ESR和ESL将需要根据频率而改变。此外,在此使用MLCC用于解释目的,如果调整ESL和ESR值,也适用于其它类型的电容器。

图10 计算值和测量值的比较

图10 计算值和测量值的比较

(7) 什么导致ESL和ESR?

如前所示,电容器的阻抗不仅受静电电容的影响,而且在高频下受ESL和ESR的影响。这些被称为“寄生元件”。在许多情况下,这些元件将降低电容器的降噪效果。应采取什么措施来减少寄生元件?
如图11所示,MLCC由外部和内部电极和介电体组成。ESR背后的主要因素是这些外部和内部电极的电阻及介电体损耗。此外,当电流流到外部和内部电极时,会在电容器周围形成磁场。这种磁场是ESL背后的主要因素。


虽然降低这些寄生元件的影响并非易事,但在后面的章节中将介绍用作EMC措施的具有降低的ESL的电容器。当电容器安装在印刷板上时,也出现这些寄生元件 (这将在后面讨论) 。必须小心谨慎地安装电容器,以减少ESL。

图11 MLCC结构与等效电路

图11 MLCC结构与等效电路

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