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电容到底怎么用才合适?看完秒懂!

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从学电子开始,就免不了要跟电容打交道。只要涉及滤波、去耦、旁路之类的,就必不可少会用到电容。


记得刚工作的时候,参考老师傅的5V-Buck电路,输出端就是经典的10uF+1uF+100nF的大小容值组合。当时问带班的师傅,为啥这样组合?他给出的解释是:大电容在稳压的同时,还滤除低频干扰,小电容滤除高频干扰。


然后我又百度找了一下资料,大部分也是这样的回复:小电容滤掉频率比较高的信号,通过的信号的频率就是在这两个电容滤掉之间那一段。大电容是电解电容,有极性,对交流电不起作用,对不平滑的直流电滤波,使之趋于平滑。小电容是无极电容,是滤除交流高频杂波。


这些看起来都是很有道理的,毕竟从电容的容抗特性来看,这种解释是很有对的。旁路就是在信号源出增加一个低阻抗路径,将瞬态能量分量到地的做法。

但是,随着工作经验的累积,我觉得这种简单的大小电容容值的并联,有时候不仅起不到滤波的作用,反而会带来一些负面的影响。尤其是系统速度增加时,适用于与较低的系统速度和较慢的逻辑要求设计的电路,使用不同容值的并联做**带来一些问题,比如增加RFI/EMI的问题、降低噪声容限等等。因为电容的实际模型是R-L-C的串并联组合,基于这种实际电容模型,就知道电容的阻抗曲线是有谐振点,这在电容的Datasheet的手册上面也能获取。


既然电容存在谐振点,那么对于不同容值的电容组合,就容易产生如下图所示的反谐振。这样不仅对滤波没有帮助,反而会带来坏处。

所以,在实际电路设计中,还是尽可能选用一个电容值。即使需要多个不同容值的电容并联,也需要根据电容的谐振特性选择,从而匹配滤除噪声的频率特性。
电容在EMI的调试中经常使用,下图是调试一个5V-Buck电路中测试到的频谱图,频谱仪的底噪是38dbuV左右的。很明显,在280MHz附近有一个尖峰59dbuV,噪声的幅值是1mV,需要滤除。一般的做法是,在电源的输入线对地并联一个3.3nF左右的电容,对于f=280MHz,
其阻抗Zc=1/(2*pai*f*c)=1.7Ω,同时参考电容的阻抗曲线,选择谐振点在280MHz附件,形成一个低阻抗通路,所以应该是有效果的。


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沙发
两只袜子|  楼主 | 2022-12-8 14:32 | 只看该作者
通过增加了一个3.3nF电容,280MHz附近的尖峰41dbuV,噪声的幅值是0.1mV对于f=280MHz的幅值从59dbuV降低到41dbuV,降低了18dbuV,这个说明改进是有效果的。

电容滤除noise signal,一般就是RC低通滤波器的形式实现,但是在选型3.3nF的电容时候,并没有电阻R,我的理解是,噪声源的内阻充当了电阻R,如果噪声源的内阻很小,选型3.3nF的电容也不起作用。
下图是以理想电容模型仿真,可以看到,当内阻很小的时候,即使滤波电容的容抗很小,但是和内阻分压,还是会造成滤波效果差。
所以,在EMI改进的时候,即使选择电容的谐振点是滤除噪声的频带,其滤除效果依然不怎么好。这个时候,应该要对噪声源的源内阻做一些分析。



上图是使用理想电容模型做分析,那么如果用实际电容模型来仿真,效果又是怎样的?
如下图所示,显然,从仿真结果来看,实际电容模型和理想电容模型差距是巨大的,有相同点,也有不同点。


相同点:噪声源的源内阻越大,幅频曲线衰减越多。
不同点:幅频曲线不是以20dB/10dec持续滚降。这也就是说实际电容模型不是单极点模型。这是由于电容存在ESR,在高频会提供一个零点,所以在高频出,幅频曲线不会再滚降的。在这个EMI的改进过程中,很巧的是加一个3.3nF电容,就将280MHz的噪声幅值降低了,可能这个噪声源的源阻抗有10Ω左右,因此可以在280MHz有一个20dB的衰减。
需要说明一点,关于噪声源的源阻抗是自己的一个理解,也不一定正确。对此,欢迎大家在文末留言,一起交流讨论。
由于280MHz的噪声幅值是41dbuV,还没有达到底噪的38dbuV,还有一个细小的凸包。更换一个不同阻抗曲线的电容,应该可以得到改进。但是,在电源线加一个电感,组成LC二阶滤波器,以40dB/10dec的滚降斜率,滤波效果会更好的:

通过仿真的结果来看,确实在280MHz的频率出,幅频曲线是-45dB,相对RC的一阶滤波器的-24dB,提高了20dB的衰减。这个看来在EMI的改进中,仅仅依靠电容完全滤除噪声有些难度,所以需要加上共模电感,磁珠之类的磁性元件才有效果的。EMI的改进需要使用频谱仪边测试边分析,找出是电场干扰还是磁场干扰,相应的添加元件,才能见效快的。

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