您好,欢迎访问东莞市旭枫电子科技有限公司官网!
0769-83935896
133-9231-3582
行业资讯
您的位置: 首页 > 新闻动态 > 行业资讯
.
联系我们

东莞市旭枫电子科技有限公司

地址:东莞市企石镇东平大兴路159号
联系电话: 133-9231-3582

咨询热线0769-83935896

如何使用电容来降低开关电源噪声

发布时间:2022-05-20 09:28:48人气:

如何使用电容来降低开关电源噪声-设计应用

                        发布于:2022-03-09 15:24:33                                                                                           开关电源输入用共模滤波器中包括电容器、电感、铁氧体磁珠和电阻等部件。接下来将对其中使用电容和电感降噪的对策进行介绍,这也可以称为噪声对策的基础。在这里使用简单的四元件模型。如果要进一步表达高频谐振时,可能需要更多的元件模型。  电容的频率特性  探讨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。右下图为电容器的阻抗和频率之间的关系示意图,是电容器很基础的特性之一。  电容器中不仅存在电容量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)。EPR与电极间的绝缘电阻IR或电极间有漏电流的具有相同的意义。可能一般多使用“IR”。    CESL形成串联谐振电路,电容器的阻抗原则上呈上图所示的V字型频率特性。到谐振频率之前呈容性特性,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。  谐振频率可通过以下公式计算。  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。  虽然这里说明的顺序有些前后颠倒,不过使用电容器降低噪声的对策,是利用了电容器交流通过时频率越高越容易通过这个基本特性,将不需要的噪声(交流分量)经由信号、电源线旁路到GND等。  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。  容值越大,容性区域的阻抗越低。  ESR越小,谐振频率的阻抗越低。  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,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的确认要点。选择降噪用电容器时,请根据阻抗的频率特性来选型(而非容值)。  选择降噪用电容器时,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)。  关键要点:  降噪用电容器的选型需要根据阻抗的频率特性进行(而非容值)。  容值和ESL越小,谐振频率越高,高频区域的阻抗越低。  容值越大,容性区域的阻抗越低。  ESR越小,谐振频率的阻抗越低。  ESL越小,感性区域的阻抗越低。  下面将介绍采用电容器来降低噪声时的概要和示意图。  使用电容器降低噪声  噪声分很多种,性质也是多种多样的。所以,噪声对策(即降低噪声的方法)也多种多样。在这里主要谈开关电源相关的噪声,因此,请理解为DC电压中电压电平较低、频率较高的噪声。另外,除电容外,还有齐纳二极管和噪声/浪涌/ESD抑制器等降噪部件。不同的噪声性质,所需要的降噪部件也各不相同。如果是DC/DC转换器,多数会根据其电路和电压电平,用LCR来降低噪声。  使用电容器降低噪声的示意图  下面是通过添加电容器来降低DC/DC转换器输出电压噪声的示例。  左侧的波形是输出端LC滤波器的电容为22F时,在约200MHz的频率范围存在180mVp-p左右的噪声(振铃、反射)。右侧波形是为了降低这种噪声而添加了2200pF电容后的结果。从波形图可以看出,添加2200pF的电容使噪声降低了100mV左右。  这里应该思考的是为什么是2200pF”。右下图为所添加电容器的阻抗频率特性。  之所以选择2200pF的电容,是因为阻抗在160MHz附近很低,利用这种阻抗特性,可降低噪声幅度约2MHz。这是通过添加电容器来降低目标噪声频率的阻抗,从而降低噪声幅度的手法。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,并选择具有相应阻抗的频率特性的电容器。  本文简单介绍了利用电容器来降低噪声的对策。下一篇文章将介绍去耦电容的有效使用方法。  关键要点:  通过降低目标噪声频率的阻抗来降低噪声幅度。  降噪用电容器的选型需要根据阻抗的频率特性进行(而非容值)。  去耦电容的有效使用方法  去耦电容有效使用方法的要点大致可以分为以下两种。另外,还有其他几点需要注意。本文就以下三点中的要点1”进行介绍。 要点1:使用多个去耦电容  要点2:降低电容的ESL(等效串联电感)  其他注意事项  要点1:使用多个去耦电容  去耦电容的有效使用方法之一是用多个(而非1个)电容进行去耦。使用多个电容时,使用相同容值的电容时和交织使用不同容值的电容时,效果是不同的。 使用122?F的电容时(蓝色)、增加1个变为2个时(红色)、再增加1个变为3个(紫色)时的频率特性。如图所示,当增加容值相同的电容后,阻抗在整个频率范围均向低的方向转变,也就是说阻抗越来越低。这一点可通过思考并联连接容值相同的电容时,到谐振点的容性特性、取决于ESR(等效串联电阻)的谐振点阻抗、谐振点以后的ESL(等效串联电感)影响的感性特性来理解。并联的电容容值是相加的,所以3个电容为66?F,容性区域的阻抗下降。  谐振点的阻抗是3个电容的ESR并联,因此为图片,假设这些电容的ESR全部相同,则ESR减少至1/3,阻抗也下降。  谐振点以后的感性区域的ESL也是并联,因此为图片,假设3个电容的ESL全部相同,则ESL减少至1/3,阻抗也下降。  由此可知,通过使用多个相同容值的电容,可在整个频率范围降低阻抗,因此可进一步降低噪声。  使用多个容值不同的电容时  这些曲线是在22?F的电容基础上并联增加0.1?F、以及0.01?F的电容后的频率特性。通过增加容值更小的电容,可降低高频段的阻抗。相对于一个22?F电容的频率特性来说,0.1?F0.01?F的特性是合成后的特性(红色虚线)。这里必须注意的是,有些频率点产生反谐振,阻抗反而增高,EMI恶化。反谐振发生于容性特性和感性特性的交叉点。  所增加电容的电容量,一般需要根据目标降噪频率进行选型。  另外,在这里给出的频率特性波形图是理想的波形图,并未考虑PCB板的布局布线等引起的寄生分量。在实际的噪声对策中,需要考虑寄生分量的影响。下一篇文章将介绍第2个要点。  关键要点:  去耦电容的有效使用方法有两个要点:使用多个电容,降低电容的ESL。  使用多个电容时,容值相同时和不同时的效果不同。  要点2:降低电容的ESL  去耦电容的有效使用方法的第二个要点是降低电容的ESL(即等效串联电感)。虽说是降低ESL”,但由于无法改变单个产品的ESL本身,因此这里是指即使容值相同,也要使用ESL小的电容。通过降低ESL,可改善高频特性,并可更有效地降低高频噪声。  即使容值相同也要使用尺寸较小的电容  对于积层陶瓷电容(MLCC),有时会准备容值相同但尺寸不同的几个封装。ESL取决于引脚部位的结构。尺寸较小的电容基本上引脚部位也较小,通常ESL较小。  右图是容值相同、大小不同的电容的频率特性示例。如图所示,更小的1005尺寸的谐振频率更高,在之后感性区域的频率范围阻抗较低。这正如在电容的频率特性中所介绍的,电容的谐振频率是基于以下公式的,从公式中可见,只要容值相同,ESL越低谐振频率越高。另外,感性区域的阻抗特性取决于ESL,这一点也曾介绍过。  关于噪声对策,当需要降低更高频段的噪声时,可以选择尺寸小的电容。  使用旨在降低ESL的电容  积层陶瓷电容中,有些型号采用的是旨在降低ESL的形状和结构。  如图所示,普通电容的电极在短边侧,而LW逆转型的电极则相反,在长边侧。由于L(长度)和W(宽度)相反,故称“LW逆转型。是通过增加电极的宽度来降低ESL的类型。  三端电容是为了改善普通电容(两个引脚)的频率特性而优化了结构的电容。三端电容是将双引脚电容的一个引脚(电极)的另一端向外伸出作为直通引脚,将另一个引脚作为GND引脚。在上图中,输入输出电极相当于两端伸出的直通引脚,左右的电极当然是导通的。这种输入输出电极(直通引脚)和GND电极间存在电介质,起到电容的作用。  将输入输出电极串联插入电源或信号线(将输入输出电极的一端连接输入端,另一端连接输出端),GND电极接地。这样,由于输入输出电极的ESL不包括在接地端,因此接地的阻抗变得非常低。另外,输入输出电极的ESL通过在噪声路径直接插入,有利于降低噪声(增加插入损耗)。  通过在长边侧成对配置GND电极,可抑制ESL;再采用并联的方式,可使ESL减半。  基于这样的结构,三端电容不仅具有非常低的ESL,而且可保持低ESR,与相同容值相同尺寸的双引脚型电容相比,可显著改善高频特性。  下一章计划对相关的几点注意事项进行介绍。  关键要点:  去耦电容的有效使用方法有两个要点:使用多个电容,降低电容的ESL。  通过降低电容的ESL,可改善高频特性,并可更有效地降低高频噪声。  有的电容虽然容值相同,但因尺寸和结构不同而ESL更小。  去耦电容的有效使用方法:其他注意事项  ①Q较高的陶瓷电容  电容具有被称为“Q”的特性。下图即表示Q和频率-阻抗特性之间的关系。  当Q值高时,阻抗在特定的窄带会变得非常低。当Q值低时,阻抗虽然不会极度下降,但可以在很宽的频段内降低。这种特性可能有助于符合某些EMC标准。例如,使用电容量变化较大的电容时,如果Q值很高,则可能存在无法消除目标频率噪声的个体。在这种情况下,还有一种通过使用具有低Q的电容来抑制波动影响的手法。  热风焊盘等的PCB图形  旨在提高散热性的热风焊盘等的PCB图形,图形的电感分量会增加。电感分量的增加会使谐振频率向低频端移动,所以有时可能无法获得理想的噪声消除效果。  探讨对策时的电容试装  试制后需要对高频噪声采取对策,可以考虑增加小容量的电容器。此时,如下图所示,如果在大容量电容器上安装要增加的电容器(左例),则纵向会增加额外的电感分量,因此不能充分发挥增加电容器的效果。在中间的例子中,虽然未违背尽可能使小容量电容靠近噪声源的理论,但阻抗会与实际修改的PCB布局不同。很好的方法是以尽量接近实际修改的配置进行探讨(右例)。  在探讨对策时,也可能会发生虽然噪声试验OK,但安装到修改后的PCBNG的现象,因此需要在探讨时就有意识地按照实际来安装。  电容的电容量变化率  噪声对策用的电容的电容量变化率较大时,谐振频率的波动会变大,目标消减频段会产生变化或波动,有时很难找到理想的噪声对策。尤其是需要在窄频段大幅消除噪声时,需要格外注意。下表表示电容量变化率和实际的电容量和谐振频率之间的关系。仔细看这个表的话可以看出,虽然视条件而定,不过很多情况是无法接受的。  电容量变化率(%)电容量(pF)谐振频率(MHz)  201,200145  101,100152  51,050155  ?01,000159  -5950163  -10900168  -20800178  ※ L=1nH计算  电容器的温度特性  众所众知,电容的特性会受温度影响。目前,EMC测试的温度特性尚未标准化,但在某些应用中,不得不在明显的高温或低温条件/环境下工作、或在会产生较大温度变化的条件/环境下使用。  在这类情况下,非常有可能发生“④电容量变化率中提到的问题,所以,用于噪声对策的电容,需要尽量使用具有CHC0G特性的温度特性优异的产品。  关键要点:  理解Q与频率-阻抗特性之间的关系,并根据目的区分Q的差异。  高Q电容窄带阻抗急剧下降。低Q电容在较宽频段相对平缓下降。  PCB图形的热风焊盘等会增加电感分量,使谐振频率向低频端移动。  探讨对策时的试装,如果不按照现实的修改实际安装,很可能在修改后的PCB板上无法获得探讨时的效果。  电容量变化率大时,谐振频率会变化,无法获得目标频率理想的噪声消除效果。  在温度条件和变动较大的严苛应用中,可以探讨使用具有CHC0G特性的温度特性优异的电容。  总结  要点1:使用多个去耦电容  使用多个电容去耦时,使用多个相同容值的电容和交织使用不同容值的电容时,效果是不同的。  使用多个相同容值的电容时  在整个频率范围内阻抗下降,可有效降低整体噪声。  使用多个不同容值的电容时  可降低更高频段的阻抗,可有效降低高频噪声。但是需要注意的是,有些频率会产生反谐振,阻抗反而增高,噪声反而恶化。  要点2:降低电容的ESL  如果容量相同,则ESL越低谐振频率越高,因此通过降低ESL可改善高频特性,从而可更有效地降低高频噪声。  即使容值相同也要使用尺寸较小的电容  ESL取决于电容引脚部位的结构,因此尺寸较小的电容基本上引脚部位也较小,通常ESL较小。当需要降低更高频段的噪声时,方法之一是选择尺寸小的电容。但是,要注意DC偏置特性。  使用旨在降低ESL的电容  积层陶瓷电容中,有些型号采用的是旨在降低ESL的形状和结构,比如LW逆转型电容、三端电容。  去耦电容的有效使用方法:其他注意事项  ■Q较高的陶瓷电容  当Q值高时,阻抗在特定的窄带会变得非常低。当Q值低时,阻抗虽然不会极度下降,但可以在较宽的频段内降低。  热风焊盘等的PCB图形  旨在提高散热性的热风焊盘等的PCB图形,图形的电感分量会增加,会使谐振频率向低频端移动,所以有时可能无法获得理想的噪声消除效果。  探讨对策时的电容试装  增加小容量电容以降低高频噪声时,要基于尽可能使小容量电容靠近噪声源的理论,以尽量接近实际修改的配置进行探讨。探讨时如果和修改后的配置不同,阻抗也会不同,很可能无法获得评估时的效果。  电容的电容量变化率  噪声对策用的电容的电容量变化率较大时,谐振频率的波动会变大,目标消减频段会产生变化或波动,有时很难找到理想的噪声对策。尤其是需要在窄频段大幅消除噪声时,需要格外注意。  电容的温度特性  电容的特性会受温度影响,因此,在明显的高温、低温、较大温度变化的条件/环境下使用的应用,需要采用温度特性优异的电容。

 


推荐资讯