静噪基础教程连载——EMI静噪滤波器(四):电容器的实际特性后篇

6-5-3. 电容器寄生元件的效果

(1) 阻抗如何变化?

前面的章节介绍了电容器的阻抗频率特性形成V形,并且低频 (左侧) 和高频 (右侧) 分别对应于静电电容和ESL的事实。通过指定零件号,可以轻松地控制电容器的静电电容。ESL有多大的效果?


图12显示从具有1,000pF标称静电电容的几种类型陶瓷电容器测量阻抗的示例。图示表明……

(a)MLCC (层压结构) (而不是单板)

(b)拥有较短引线的电容器

(c)SMD电容器 (而不是带引线的电容器)

都更接近理想电容器,并且具有较小的阻抗,直到达到更高的频率。这也表明ESL以这个顺序降低。这种趋势通常存在于所有电容器中——不仅在陶瓷电容器中。这是因为ESL背后的主要因素是内部电极和引线形状。


当使用电容器消除发射的噪声时,将在30MHz或更高的频率处加以使用。如图所示,即使使用相同的1,000pF电容器,由于ESL的差异,在该频率下也可能存在10倍或更大的差异。

图12 修改安装形式时的阻抗变化示例 (1,000pF)

图12 修改安装形式时的阻抗变化示例 (1,000pF)

(2) ESL值是多少?

那么现在ESL的值是多少?


图13显示使用等效电路模型,在1,000pF电容器上计算改变ESL之后的阻抗的结果。对比图12和图13,我们可以预估,ESL将为

  • 约10nH (对于拥有10mm引线的MLCC而言) (图12中的 (2) )
  • 1nH或以下 (对于无引线的SMD MLCC而言) (图12中的 (4) )
  • 0.1nH或以下 (对于三端子电容器而言) (图12中的 (5) )

这里提到的nH值是在仅为几毫米长的引线上出现的极小值。观察图中100MHz以上的频率,会发现即使如此微弱的电感也有显著的效果。


注意,图12中 (5) 所示的三端子电容器是高性能电容器,采用了旨在降低ESL的特殊结构。三端子电容器将在第8章中进一步讲述。

图13 ESL发生变化时的阻抗计算结果

图13 ESL发生变化时的阻抗计算结果

(3) 使用尽可能短的电容器引线

最好使用具有很低ESL的电容器来抑制噪声。如图12中的 (2) 、 (3) 和 (4) 所示,使用电容器时,引线应尽可能短 (如果可能,应采用SMD) 。


实际上,在第6-4节图2中所示的实验中,通过电容器本身的ESL的差异以及由是否存在引线造成的ESL差异来改变降噪效果。如果电容器安装在大约10mm长的引线上 (第6-4节,2 (d) ) ,与没有引线的情况 (第6-4节,图2 (c) ) 相比,降噪效果将至少减少10dB。

(4) 电解电容器的阻抗特性

迄今为止,对电容器特性的解释大多使用MLCC作为示例。对于需要大静电电容的应用 (例如功率调平) ,使用每体积具有大静电电容的电解电容器。电解电容器的阻抗特性与MLCC的阻抗特性略有不同。图14显示了一些对比示例。


铝电解电容器有时用于功率调平。图14显示铝电解电容器的阻抗曲线形成碗状 (或U形) 。图示还表明,无法清晰看到自谐振。这意味着电容器损耗相对较大;在图7的等效电路中将存在显著的ESR。

图14 比较电解电容器和MLCC阻抗的实例

图14 比较电解电容器和MLCC阻抗的实例

(5) ESR具有何种效果?

图15显示当ESR改变时,以1μF电容器为例,计算阻抗的结果。在ESR为500兆欧的情况下,可以获得与图14 (a) 中铝电解电容器测量结果类似的特性。因此,可以通过增加ESR来再现电解电容器的阻抗特性。与碗形特征曲线底部相对应的阻抗表示ESR值。


铝电解电容器的ESR可以达到1Ω或以上。电容器的阻抗绝对不会小于ESR;这意味着具有较大ESR的电容器不适合用于噪声抑制。


另一方面,用于抑制噪声的电容器可能与周围电路产生谐振,进而导致故障。在这种情况下,ESR可以用作谐振阻尼电阻器,以防止这种故障。因此,具有稍大ESR的电容器将会有益。

图15 ESR发生变化时的阻抗变化计算结果

图15 ESR发生变化时的阻抗变化计算结果

(6) 具有较低ESR的电解电容器

一些电解电容器设计用于最大程度减小ESR。示例包括钽电容器和导电聚合物电容器。图14中的测量结果还包括使用这些电容器的示例。图示表明,谐振频率周围的阻抗小于铝电解电容器的阻抗。


然而,这并不能扩展到适用于MLCC,即使使用这些电容器也不行。即使在需要较大静电电容的应用 (例如功率调平) 中,噪声降低也很重要的情况下,应选择大容量MLCC,或者MLCC应与电解电容器并联安装进行使用。

6-5-4. 熟练使用电容器

(1) 以噪声的频率为基准调整自谐振频率

电容器的阻抗是其自谐振频率的最小点。该值可能低于该频率下理想电容器的阻抗值。如果噪声的频率是固定的,只要可以调整自谐振频率以匹配噪声,就可以获得显著的降噪效果。


为了调整自谐振频率,请选择静电电容与噪声匹配的电容器。如图4所示,如果电容器的静电电容发生变化,则电容器电容的特性曲线平行移动。如图16所示,自谐振频率也相应地改变。因此,可以调节自谐振频率以匹配噪声的频率。


然而,自谐振频率受到印刷板的微小电感量的影响并改变。后文将作相关阐释。频率不能在纸上很好地调整,因此在实际测试期间确认结果很重要。

图16 调整自谐振频率

图16 调整自谐振频率

(2) 如果噪声频率很宽,唯一的选择是使用具有低ESL的电容器

在抑制噪声时,通常难以提前估计噪声频率。在这种情况下,必须准备在较宽频率范围内工作的滤波器,以确保滤波器在任何噪声频率下都是有效的。方法 (1) 不能用于这种应用。


图16表明,即使静电电容改变,在电容器处于电感状态的区域 (例如,1GHz) 中,阻抗也几乎不改变。如前所述,这是因为在这些频率下ESL占了大部分比例的电容器阻抗,因此静电电容难以产生效果。


在较宽范围的高频下 (电容器处于电感状态) ,抑制噪声的唯一方法是使用具有尽可能小的ESL的电容器。

(3) ESL可能对低频噪声具有影响

如图13所示,ESL仅在高于100MHz的频率下有效果。然而,当使用具有较大静电电容的电容器时,可能存在ESL在极低频率下发挥强烈效果的情况。这是因为自谐振频率降低,因此电容器处于电感状态的频率范围扩展到较低频率。


图17显示了在静电电容为10μF的电容器上ESL发生变化的示例。这表明,当涉及噪声抑制 (例如1MHz) 时,在被视为低频的情况下ESL可以产生强烈的效果。在使用大容量电容器不能获得期望的降噪效果的情况下,还有考虑ESL是否正在发挥效果的余地。

但是应注意,旁路电容器的ESL不仅包括电容器本身的ESL,还包括用于安装零部件的线路的电感。下一节将对此进行阐述。因此,在试图降低ESL时,考虑用于安装电容器的线路也很重要。

图17 ESL对大容量电容器的影响

图17 ESL对大容量电容器的影响

(4) 用于安装电容器的模板可能是ESL背后的一个因素

前文提到,ESL对电容器的降噪效果有显著的影响。然而,还有另一个因素起着很大的作用,那就是在电路板上安装电容器时产生的电感。
如图18所示,需要采用布线模板和通孔将电容器安装到电路板上,并将其连接到电路。这些零部件的电感与旁路电容器串联。因此,当电容器安装在电路板上并实际运行时,旁路电路的总体ESL将大于电容器本身的ESL。
这种“总体ESL”将影响实际降噪结果。

图18 旁路电路的总体ESL

图18 旁路电路的总体ESL

(5) 模板和通孔电感的影响是什么?

线路和通孔电感的影响是什么?这种影响实际上足够大,不能被忽略——事实上,其效果甚至可能大于电容器本身的ESL,具体取决于其使用方式。


图19显示在电容器的两端安装1mm宽模板时计算阻抗的结果。这表明,即使只有几个毫米宽的线路,也可能使100MHz处的阻抗增加10倍或更多。


使用电容器降低高频噪声时,必须使模板保持短路。

图19 电容器阻抗 (包括模板) (计算值)

图19 电容器阻抗 (包括模板) (计算值)

(6) 大概的模板和通孔电感

模板和通孔具有多大的ESL?其数值非常小,不容易测量或计算。不过,模板通常具有约0.5nH/1mm,而通孔通常具有0.1nH/每个。 (在任一情况下,假设使用多层板并具有较好的条件,接地平面在0.4mm以下。如果使用双面板等,数值会增加。) 
考虑到 (即使使用MLCC) 电容器本身的ESL将为大约0.5nH的事实,这些值足够大,因而不能被忽略。如果要有效地使用电容器,则电容器的安装方式必须确保最大程度地降低此电感。

(7) 如何安装电感器以最大程度降低ESL

图20 (b) 和 (c) 显示模板和通孔电感减小的安装情况的示例。


将地线层或其他坚固接地连接到电容器。图示中使用的是具有内置接地平面的电路板。


将连接电容器和地线层的通孔布置在电容器附近。如果可能,在电容器周围安排几个通孔,如图所示。将通孔布置在电容器下方将进一步降低ESL。


图20 (b) 显示将电容器直接布置在携带噪声的线路上方的示例,其中线路保持尽可能短。这样会将模板和通孔电感降低到可以忽略的水平。


但是,此方法需要移动连接到地线的通孔的位置。


图20 (c) 显示当通孔的位置不能移动时的解决方案的示例。如图所示,电容器靠近连接到地线的通孔放置,而携带噪声的模板移动到靠近电容器的位置。这样可以最大程度地降低旁路噪声方向上的电感。

图20 使用可以减少ESL的电容器

图20 使用可以减少ESL的电容器

(8) 使用专用电容器消除超过1GHz的噪声

图17中的测量结果表明,为了在1GHz下获得1Ω或更小的阻抗,ESL必须在0.2nH左右或更小。这个值太小,即使使用MLCC也不可能实现。还必须考虑线路和通孔的电感,如图18所示。那么应该如何安装?


可以使用三端子电容器 (图12中的 (5) ) 来解决此问题。具有低ESL的电容器 (例如三端子电容器) 用于抑制在1GHz及更高频率下的噪声。第8章将提供更多详细信息。

图21 具有低ESL的电容器

图21 具有低ESL的电容器

“6-5. 电容器的实际特性”- 要点

  • 实际电容器包含两个类型的寄生元件:ESL和ESR。
  • 在消除高频噪声时,寄生元件的效果大于静电容量。
  • 使用低ESL的电容器可消除100MHz以上的很宽频率范围的噪声。
  • 请注意,用于安装电容器的模式也会生成ESL。

相关文章

最新内容

关注微信公众号,抢先看到最新精选资讯

关注村田中文技术社区微信号,每天收到精选设计资讯