透彻解释电容滤波半径

周末好友相聚,去参加一个活动,之后闲聊,说到滤波半径的问题,我竟然一时不知怎么解释,平时只是说去耦半径,也未深究。昨天问了一下度娘也自己推倒一下,也是豁然开朗的感觉。

本文从电容滤除噪声来说。假设PCB板A处的IC芯片工作状态改变了,导致该区域电流出现变化,电流的变化势必在其附近引起一个电压变化,也即电压噪声。

 

电容噪声

如图1所示,当电流发生变化时,电压噪声会向四周传播,当传输到电容所在位置时,电容感知电压噪声,然后做出补偿,补偿电流幅值与噪声电流相反。表达式如下(这里假设为均匀介质):

均匀介质

其中v为信号在介质中传播速度,f为电容谐振频率(由于电容在其谐振频率上滤波效果最好,所以这里计算时,以谐振频率计算),R为电容与芯片扰动之间的距离,l表示扰动传到电容之后,继续传播的距离,Loss为介质损耗(db/m)。


当电容的补偿电流到达A处的扰动时,扰动电流和补偿电流符号相反时,才有补偿作用,否则两者叠加,则会加强噪声。

噪声公式

从上面推到公式可以看出,当0<R< lamda/4或者 3*lamda/4<R<lamda时, 具有补偿作用,R在其他波长范围内,不具有补偿作用。当R=0时,电容补偿和扰动的相位完全相同,幅值相反,可以100%的补偿,当R为四分之一波长时,电容补偿和扰动的相位差为180°,不具有补偿作用。一般要求去耦半径R要远远小于四分之一波长(一般为1/10~1/20的四分一波长)。

假设有一个1nF电容,其在PCB上安装电感以及其寄生电感感值总和为2nH,可以计算器谐振频率为139MHz,假设介质介电常数为4,则v=1.5*10^8m/s。可以计算其波长为1.08m=42.4inch,所以四分之一波长约为10.5inch左右,这个值非常大。当取1/40波长时,滤波半径约为1inch,1nF的电容滤波半径还是比较大的,更大的电容,一般谐振频率更低,具有更大的滤波半径。

从计算可以看到,电容滤波半径一般比较大,可能是因为这个原因,所以在设计PCB板时,比较少的提起滤波半径的概念。一般用大电容靠近电源模块输出端口,也可以从滤波半径考虑,但是由于滤波半径一般比较大,所以从防止过冲和电源电压突变解释更合理。

文章转载自:zjulixn的博客

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