122月 2018

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村田噪声抑制基础教程-第六章 EMI静噪滤波器

6-1. 简介

有两种用于抑制噪声的基本方法: 滤波器和屏蔽。两者之间具有相互支持的关系;尽管通常需要使用两种方法,但如果噪声很小,则可以简化。屏蔽通常由金属制成。由于屏蔽必须覆盖整个电子设备,所以尺寸往往很大。这意味着它们还可能增加设备的成本和重量。滤波器是电子元件;巧妙使用滤波器可以简化屏蔽,并能帮助降低电子设备的成本和重量。

本章简要概述了滤波器的工作原理,并解释了典型的电路配置,以便为娴熟使用滤波器提供良好的知识基础。用于消除电磁噪声的滤波电路通常被称为EMI静噪滤波器,但在此将其简称为“滤波器”。

6-2. EMI静噪滤波器

6-2-1. EMI静噪滤波器的运行

在噪声传输路径上安装滤波器将电路工作所需的组件 (在图1中表示为“信号”) 与噪声分离。这样,滤波器将仅消除噪声。

为将信号与噪声分离,需要有一些分离标准。为此,通常使用频率分布的差异 (如图1 (b) 所示) 。不过,也存在使用传输模式或电压差异的情况。表1列出了典型滤波器执行此功能所使用的信息。

类型目标噪声用于分离噪声的信息信号/噪声的差异实施方法主要应用
EMI静噪
滤波器
无线电噪声
(一般而言)
频率分布偏差信号低频低通滤波器电路
(一般而言)
噪声高频
共模扼流线圈共模噪声传输模式的差异信号普通耦合线圈电源
(交流/直流)
差分信号
噪声共模
浪涌吸收元件高电压浪涌电压差异信号低电压非线性电阻
放电间隙等
电子设备
(一般而言)
(浪涌入口点)
噪声高电压
表1 信号与噪声分离

6-2-2. 按频率布局的四个滤波器

如图2所示,主要有四种滤波器按频率分离噪声。通常难以提前缩小目标噪声频率,因此常用低通滤波器作为EMI静噪滤波器。

6-2-3. 如何衡量滤波器效果

(1) 插损

滤波器的降噪效果由插损来表示。如图3所示,将滤波器插入连接50欧姆信号源与负载的电路中,然后测量负载侧 (B至C) 的电压变化。测量值通常以dB表示。

(2) dB

dB (decibel) 是一个用于表示比率的单位。如表2所示,将噪声降低到1/10的能力表示为20dB,而将噪声降低到1/100的能力表示为40dB。每次噪声降至1/10时,dB增加20 (用于插损) 。

使用dB非常方便,因为它可以通过加法表示大的比率。测量噪声的结果通常也用dB表示。例如,40dBμV表示1μV为0dB的电压,因此意味着100μV。

(3) 要牢记的数值

当噪声加倍时,dB以6dB的步幅变化。当噪声增加十倍时,dB的变化量为20dB。这两个数值经常使用,因此记住它们可能非常有用。

但是请注意,这些数字在表示电压时使用。关于功率,十倍的增加导致10dB的变化。这是因为功率与电压平方成比例关系 (P=V2/R) 。

(4) S参数替换

当滤波器被认为是线性电路时,可以由在50Ω系统上测量的S参数传输系数 (S21或S12) 之绝对值替代插损。这是因为对于两个测量,在滤波器之前和之后连接50Ω测量系统。只要可能,我们使用以S-parameter测量的值作为插损。

6-3. 使用LC的低通滤波器

低通滤波器通常由电容器和电感器组成。虽然使用电容器和电感器构建滤波器是电路设计人员的常规任务,不过本节还是回顾基本特性。

6-3-1. 电容器

(1) 将噪声电流旁路到地

如图1所示,通过安装与负载并联的电容器,形成低通滤波器。

电容器阻抗本质上随着频率的增加而减小。这意味着,频率越高,负载上的电压越低。这是因为,如图所示,噪声电流被电容器旁路,并且不再流到负载。

(2) 非常适合高阻抗电路

除非电容器的阻抗相对小于输出阻抗和负载阻抗,否则噪声不会被旁路。这意味着,如果周围电路具有高阻抗,更容易让电容器工作。

在测量插损时,周围电路的阻抗为50Ω。然而,使用滤波器进行噪声抑制时,阻抗值通常不是50Ω,因此没有特定的固定值。为了估计实际使用滤波器时的降噪效果,必须基于借助插损测量的值,根据周围电路的阻抗进行转换。

第6-4节将进行详细解释。现在,我们假设周围电路的阻抗为50Ω,帮助更容易理解基本特性。

6-3-2. 由电容器构成的低通滤波器的基本特性

(1) 频率越高,效果越大

在绘制频率轴 (横轴) 的对数时,在衰减范围内,由电容器构成的低通滤波器的频率特性形成斜率为20dB/dec的直线,如图2所示。这是因为电容器的阻抗与频率成反比。如果频率增加十倍,电容器的阻抗将下降到十分之一,插损的变化量为20dB。

上述及本课程其他地方提到的“dec” (十) 意味着频率已经发生十倍的改变。

(2) 静电电容越大,效果越大

如图所示,如果电容器的静电电容改变,则插损曲线发生平行位移。如果电容器的静电电容发生十倍的变化,则衰减范围中插损的变化量同样为20dB。这是因为它将减少到十分之一,因为电容器的阻抗与静电电容成反比。

(3) 截止频率

通常,低通滤波器的频率特性在低频范围 (传输范围) 内接近0dB,并且在高频范围 (衰减范围) 内表现出显著的插损。插损变为3dB所处的频率用作分割这两个范围的频率。这称为截止频率。如图3所示,截止频率大致是滤波器产生效果的下限频率。

如果在50Ω下测量,旁路电容器的截止频率将是电容器的阻抗约为25Ω时所处的频率。

6-3-3. 电感器

(1) “扼流”噪声电流

如图7所示,电感器与负载并联安装。

电感器阻抗本质上随着频率的增加而增大。这意味着,频率越高,噪声电流通过越困难,因此负载上的电压越低。用于此目的的电感器称为扼流线圈,因为其以这种方式工作,以“扼流”电流。

(2) 非常适合低阻抗电路

电感器将不能扼流噪声电流,除非电感器的阻抗相对大于信号源的内部阻抗和负载阻抗。这意味着,与电容器相比,如果周围电路具有低阻抗,更容易让电感器工作。

6-3-4. 由电感器构成的低通滤波器的基本特性

(1) 与作为电感器相同的斜率: 20dB/dec

如图5所示,在衰减范围内,由电感器构成的低通滤波器的频率特性形成斜率为20dB/dec的直线——与电容器一样。这是因为电感器的阻抗与频率成比例地增加。如果频率增加十倍,阻抗也将增加十倍,插损的变化量为20dB。

(2) 结果与电感成比例增加

如图所示,如果电感器的电感改变,则插损曲线发生平行位移。这与电容器的情况相同。

(3) 截止频率

如果在50Ω下测量,电感器的截止频率将是电感器的阻抗约为100Ω时所处的频率。

6-3-5. 使用电容器和电感器时电流的变化

(1) 噪声流动变得可见

当使用电容器或电感器时,电流如何实现旁路或扼流?图6和图7显示使用第3章中介绍的近场磁测量系统来测量使用滤波器之前和之后的电流分布的结果。

(2) 观察沿信号线流动的噪声

图6显示测量条件。此处使用与3-3-4中用于测量电流驻波相同的测量系统。如图6 (b) 所示,在300mm×100mm的电路基板的中央,水平地布置一根信号线。电路板的下侧以及除了信号线之外的整个表面区域接地。从该信号线的左侧,当输入33MHz数字信号并且电流分布时,使用探针测量近磁场。数字IC连接到信号线的末端。

以这种方式接地,信号线可能被认为是被称为MSL的传输线路。信号线的宽度经过调整,因而特性阻抗为50Ω。

使用从商店购买的测量仪器 (被称为EMI测试器) 测量近磁场。在图中,测量面积为290m×30mm,测量间距为5mm,观察到的频率为99MHz。99MHz是33MHz数字信号的第三次谐波。

(3) 无滤波器时的噪声分布

当旁路电容器及电感器安装在信号线的中心位置 (距离信号输入150mm) 时,观察到电流分布的变化。测量结果如图7所示。

图7 (a) 与3-3-8中图19 (a) 所示的数据相同,但没有过滤器。在图中,噪声从左边进入,并且当其流向右边缘的端子数字IC时,信号逐渐变弱。这是因为在右边缘的数字IC处,由于输入阻抗高而电流低,形成了电流驻波,并且在相关观察范围中观察到驻波的大致半个周期。

(4) 用电容器旁路时的噪声观察

图7 (b) 显示使用电容器时的情况。信号线和地线之间使用1000pF MLCC。

测量结果表明,中心滤波器的左侧电流较强,右侧电流较弱。这可以解释为表明从左侧进入的噪声被电容器旁路,并且被阻止输出到右侧。

以这种方式使用电容器会使噪声被强烈反射回噪声源,因此噪声源和电容器之间的电流更强。因此,使用滤波器尽可能接近噪声源,确保来自线路的该部分的噪声不被发射。

(5) 用电感器扼流噪声电流

图7 (c) 显示使用电感器时的情况。铁氧体磁珠 (470Ω@ 100MHz) 平行于信号线插入。

测量结果表明,中心滤波器的左右 (两侧) 电流较弱。这可以解释为表明用电感器扼流电流的效果甚至延伸到噪声源。

电感器也削弱了噪声源侧的电流。因此,在噪声源附近没有空间却不得不安装一个部件以抑制线路噪声的应用中,它们变得非常有价值。然而,其阻挡噪声的能力通常不如电容器。

6-3-6. 结合电容器和电感器的滤波器

(1) LC滤波器

可以组合电容器和电感器以改善频率特性。图8显示了某些组合电容器和电感器的LC滤波器的基本特性。

如果使用单个电容器或电感器,则频率特性的斜率将为20dB/dec。

其中组合单个电容器和单个电感器的L型滤波器,斜率将为40dB/dec。由总共三个部分形成的π型或T型滤波器将拥有60dB/dec的斜率。

(2) 每个部分增加斜率20dB/dec。

通过向组合中增加另一部分,频率特性的斜率可以增加20dB。每个部分增加斜率20dB。这样有助于提高滤波器拾取信号和噪声的能力 (图1) 。

滤波器中部件的数量被称为滤波器的“阶数”。L型滤波器是二阶滤波器,而π型或T型滤波器是三阶滤波器。阶数较高的滤波器具有更陡的频率特性。

(3) 组合使用时电容器和电感器交替

在组合部件时,交替使用电感器和电容器。如果两个电容器或电感器组合在一起,滤波器的阶数不会增加。这样只会增加电容和电感常数。

请注意,图8所示特性为理想化特性。如果没有根据周围电路的阻抗适当地设置电容器和电感器常数,则频率特性将不会如此陡峭地倾斜。

(4) 使用LC滤波器的益处

如上所示,阶数较高的滤波器具有更陡的频率特性斜率。这一属性在抑制噪声方面具有以下益处。 (另一方面,这在成本方面是不利的,因为涉及更多的部件。)

    1. 当截止频率相同时,可以消除更多噪声。
    1. 当降噪能力相同时,可以传递更高频率范围内的信号。
    1. 可以获得极大的插损 (如果仅有单个部件,将无法实现) 。

后文将解释这些益处。

・更容易分离噪声和信号

在信号频率和噪声频率接近时, (1) 和 (2) 是有益的。如图9所示,这样可以在保持信号频率的同时降低噪声。因此,LC复合滤波器通常用于必须保持脉冲波形的时钟信号。

为了精确地控制截止频率,必须调整电容器和电感器常数以匹配周围电路的阻抗。许多准备用作信号滤波器的LC滤波器经过调整,以匹配大约50Ω的电路。

・能够大大降低噪声

(3) 上述情况是有益的,因为当使用单个部件时,插损存在限制。

例如,当使用电容器消除噪声时,即使使用具有理论最大静电电容的电容器 (例如,1000μF) ,也可以完全消除噪声 (在超过1MHz的所有频率上为100dB或更高) 。然而,实际上,单个电容器仅能够在某些频率处获得大约60dB的插损,而不管电容器的静电电容有多大 (不计算三端电容器和稍后解释的其他特殊电容器) 。这是因为除了静电电容之外,电容器还具有寄生元件,例如ESR和ESL。

可以通过组合电容器与电感器克服限制。利用LC滤波器可以实现例如80dB (或甚至超过100dB,视条件而定) 的插损。

这就是LC滤波器用于开关电源和其他非常嘈杂的设备的原因。

6-3-7. 实际滤波器特性的示例

(1) 截止频率约为10MHz的滤波器比较

电容器和电感器真正特性是什么?图10显示,在截止频率约为10MHz时,对比三种类型滤波器的特性。这里显示的是电容器、电感器和π型LC滤波器。

(2) 理论特性

图10 (a) 表示上述介绍的理论值。为了使图更容易阅读,电容和电感常数被截短。紧密地匹配常数 (例如,将电感设置为2.5μH) 将导致电容器和电感器的曲线完全重叠。π型滤波器的截止频率约为16MHz。

(3) 实际部件特性

图10 (b) 显示实际部件特性的示例。针对每个部分给出标称值,因此包括一些测量误差。此外,π型滤波常数与 (a) 中的计算使用的值不同。即使如此,图中显示,对于100MHz及以下的频率,实际上可以获得非常接近理论特性的值。

另一方面,实际特性与超过100MHz的频率的理论值显著不同。插损值尤其在1GHz附近突然下降。

这是因为在较高频率下寄生元件对电容器和电感器的影响更强。下一章节将阐述寄生元件的效果。

6-4. 滤波器基本与实际特性不同

前面讨论的LC滤波器的频率特性是理论基本特性,因此可能存在与实际特性不同的情况。了解导致实际与基本特征存在差异的因素,有助于选择零件并进行灵活应用。本节介绍这些因素。

6-4-1. 滤波器实际工作的方式可能显著不同

(1) 滤波器的实际特性

滤波器的实际噪声消除能力不同于前面描述的基本特性,以此为例,图1和图2显示了使用旁路电容器时测量电源噪声的结果。

(2) 测试电路

图1展示了测试电路。使用以在20MHz运作的时钟振荡器电路作为噪声源。噪声沿着电源线传输,然后从形成直径12cm的环形线路发射出去。在电源线上安装1μF旁路电容器作为滤波器后,观察到噪声发生变化。

(3) 使用滤波器之前

图2显示测量结果。 (a) 呈现未使用滤波器时发射的噪声。在进行测量的30至1,000MHz范围内,几乎所有频率处都观察到了强噪声。

(4) 并非所有电容器都有相同的效果

(b) 显示一个三端电容器,作为理想滤波器如何运作的示例。根据图示,所有频率范围内的噪声发射得到完全抑制,并且噪声量非常低,以至于几乎观察不到。

(c) 展示使用MLCC (广泛使用的旁路电容器) 的情况,作为相对接近理想状态的实施示例。根据图示,与三端电容器相比,其消除噪声的能力显著受损。但是,所有频率处的噪声都得到抑制。

(d) 所示情况: 使用相同的MLCC,但是故意使装置出现问题,即连接极长的引线。该图表显示更弱的噪声抑制效果。

(5) 噪声不应可见,但是……

就电路图而言,示例 (b) 至 (d) 中使用的滤波器电路相同: 1μF旁路电容器。因此,它们都应该用作具有20dB/dec. 斜率的低通滤波器,而且其基本特性应与第6-3-2节完全相同。

图3显示1μF电容器的基本特性。在图2中测量的高于30MHz的频率中,存在至少70dB的插损。换句话说,如果电容器正常工作,图表中应看不见图2 (a) 中观察到的噪声。

然而,图2显示,在实际测量时,存在噪声残留的情况,并且电平根据使用的部件而显著变化。因此,在抑制噪声时确认实际特性很重要。

(6) 导致实际特性与基本特性不同的因素

这样,滤波器的实际特性与基本特性不同。所涉及的各种因素可以分为两类: 由滤波器本身性能的优劣引起的因素,以及由滤波器与其外部装置之间的相互作用引起的因素。

首先,滤波器本身的降噪效果与基本特性不同。下一节将阐述此问题。其次,滤波器与其外部装置之间的相互作用可能对滤波器的实际特性产生影响。后者可以各种方式变化,具体取决于滤波器的使用条件。因此,从理论的角度来说,精确地估计滤波器的实际特性是非常困难的

6-4-2. 滤波器的效果与其基本特性不同

图5显示简单电容器和电感器的频率特性和理论值之间的比较,作为滤波器的实际特性与其基本特性不同的示例。

如第6-3节所述,电容器和电感器用作LC滤波器的元件。图5显示重新编辑在6-3-7中所引入数据的结果,然后将测量的插损与理论值进行比较。在100MHz及以上的频率处,实际特性与理论值明显不同。

在显示与理论值不同的频率特性的区域中,仅仅观察这些部件的静电电容或电感,会发现差异不明显。电容器和电感器的实际特性将在接下来的章节中进行介绍。首先略微详细地讨论电容器,然后将相关知识用作讲述电感器和LC滤波器的基础。

6-5. 电容器的实际特性

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。

(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。

(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。

(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。

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。

(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。

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。

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。

(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。

(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。

(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。

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。

(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。

(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。

(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。

(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。

(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。

(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。

(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。

(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。

(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。

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