濾波器系列之二：電容的應(yīng)用（一）

濾波器系列之（二）：電容

任何兩個(gè)彼此絕緣又相互靠近的導(dǎo)體都可以構(gòu)成電容器。電容是表征電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量。在兩個(gè)相距很近的平行金屬板中間夾上一層絕緣物質(zhì)（電介質(zhì)），就組成最簡單的電容器，叫做平行板電容器。

圖1：平行板電容與計(jì)算公式

一、電容的工作原理：

電容器是由兩個(gè)電極及其間的介電材料構(gòu)成，介質(zhì)材料是一種電介質(zhì)，當(dāng)被置于兩塊帶有等量異性電荷的平行極板間的電荷中，由于極化而在介質(zhì)表面產(chǎn)生極化電荷，使束縛在極板上的電荷相應(yīng)增加，維持極板間的電荷不變。

圖2：電容充放電過程

1.1、電容濾波原理

電容器具有〝通高頻阻低頻的特性〞，濾波是利用此特性為干擾頻點(diǎn)提供〝?shù)妥杩孤窂建暋Ｓ捎陔娙荼旧聿痪哂邢哪芰康奶匦?，干擾頻點(diǎn)只是通過電容改變了傳播路徑而已，故電容元件又稱反射式濾波元件。    

圖3：電容濾波原理

    任何信號只有構(gòu)成回路才能產(chǎn)生電流，回路面積越小產(chǎn)生的EMI干擾就越小，而回流面積取決于信號路徑長度，以及回流路徑長度，信號布線長度與回流路徑長度構(gòu)成的回路面積越小越好，通過增加高頻電容來縮短信號回流面積是解決EMC問題的殺手锏之一。

干擾實(shí)質(zhì)上并沒有穿過電容到地消耗掉，而是類似電池充電，干擾被吸收到電容兩端，電容容值大小改變的是電荷移動的速度，也就是充放電的速度；簡單理解電容旁路的原理就是干擾在很小的路徑范圍內(nèi)重復(fù)移動軌跡。

1.2、電容的頻率特性

圖4：電容的頻率特性對比

1.2.1、電容容性區(qū)域&感性區(qū)域：

低頻范圍內(nèi)非常接近理想電容器，阻抗與頻率成反比，此區(qū)域稱為容性區(qū)域。隨著頻率的改變，阻抗卻成升高趨勢，電容的寄生電感影響非常明顯，此區(qū)域稱為感性區(qū)域。

電容的ESR與ESL：

圖5：電容的電路等效模型

ESR是Equivalent Series Resistance的縮寫，翻譯過來就是等效串聯(lián)電阻，電容的ESR就是電容串聯(lián)等效電阻。

     ESL是Equivalent Series Inductance的縮寫，翻譯過來就是等效串聯(lián)電感，電容的ESL就是電容串聯(lián)等效電感。

圖6：電容的ESR曲線對比    

要得到更好的EMC濾波特性，電容具有低ESR是很重要的；由于電容自身的諧振點(diǎn)，所以電容并聯(lián)使用時(shí)，拓寬通頻帶的同時(shí)，也產(chǎn)生新的反諧振點(diǎn)；為減少反諧振點(diǎn)的個(gè)數(shù)，選擇濾除不同頻段的電容時(shí)，相鄰容值最好相差100倍的量級。

1.2.2、自諧振頻率（Self Resonant Frequency）：

阻抗最小值時(shí)的頻率稱為自諧振頻率，此時(shí)Z=ESR，電容的自諧振點(diǎn)也是阻抗最低點(diǎn)。

1.2.3、電容ESR/ESL的影響因素

貼片電容的疊層結(jié)構(gòu)

圖7：貼片疊層結(jié)構(gòu)對ESR的影響

內(nèi)部電極層數(shù)越多，意味著層間電阻并聯(lián)越多，即阻抗越小，同樣道理ESR就越小。

材質(zhì)的電阻率

ESR與材質(zhì)的電阻率相關(guān)，不同材質(zhì)ESR不同，ESR越小，便能使噪聲被旁路的越多，即插入損耗越大，噪聲抑制能力就越好。    

圖8：材料的電阻率對ESR的影響

ESR會將紋波電壓，轉(zhuǎn)換為熱能，若ESR越高，則轉(zhuǎn)換的熱能就越多；隨著紋波電壓的增大，電容溫度上升，ESR越大溫度上升就越多。溫度上升，電容值也會有所下降，不同材質(zhì)的電容，隨溫度升高時(shí)電容值的穩(wěn)定性不同。

圖9：ESR對紋波電流的影響

二、電容應(yīng)用要點(diǎn)說明

2.1、多顆同規(guī)格電容并聯(lián)使用

如果單顆電容的紋波電壓耐受度不夠，則可以選擇多顆電容并聯(lián)使用，并聯(lián)電容數(shù)量依據(jù)紋波電壓需要；多顆同規(guī)格電容并聯(lián)使用，除了可以降低紋波電壓，也可以降低ESR，增大插入損耗。    

圖10：不同數(shù)量同規(guī)格電容并聯(lián)使用阻抗曲線

2.2、多顆不同規(guī)格電容并聯(lián)使用

當(dāng)噪聲的頻率范圍很寬時(shí)，單個(gè)電容的濾波頻帶無法滿足濾波要求，則需要使用不同規(guī)格的電容拓寬通頻帶。多顆不同規(guī)格電容使用時(shí)，不同電容的感性區(qū)域與容性區(qū)域又會產(chǎn)生交叉點(diǎn)，該交叉點(diǎn)正好會產(chǎn)生并聯(lián)諧振，使濾波阻抗變大降低了濾波效果，該交叉點(diǎn)稱為反諧振。

圖11：不同規(guī)格電容并聯(lián)使用阻抗曲線（存在反諧振點(diǎn)）

因此，并聯(lián)不同容值的電容時(shí)，其電容值差距應(yīng)充分考量，建議電容容值差是100倍量級，最小差不允許小于10倍量級，以降低反諧振點(diǎn)濾波阻抗。    

2.3、使用電容組成低通濾波器

電容通常與電感、磁珠、電阻元件組成低通濾波器，濾除信號線、電源線上高頻噪聲，低通濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合信號工作頻率、高頻噪聲頻率選擇合適的電路結(jié)構(gòu)。

圖12：RC低通濾波電路

圖13：LC低通濾波電路

2.4、端口信號旁路電容

為防止PCB內(nèi)部干擾噪聲沿著連接線纜耦合，形成天線向外輻射干擾，通常會在PCB接口電路增加高頻旁路電容，將板內(nèi)干擾通過電容旁路回到源端，同時(shí)也防止外部的干擾噪聲進(jìn)入板內(nèi)，耦合干擾到板內(nèi)敏感信號。    

圖14：電容應(yīng)用于端口信號高頻旁路

2.5、芯片供電電源退耦與高頻旁路

芯片供電電源退耦：

半導(dǎo)體制造工藝的持續(xù)提升，芯片工作頻率持續(xù)提高，芯片處理數(shù)據(jù)時(shí)的快速切換，電流突變會引起供電電壓下降，相當(dāng)于紋波電壓。在芯片供電電源引腳上增加退耦電容，快速補(bǔ)償芯片供電電源引腳因高頻開關(guān)引起的電壓跌落，通常使用的電容相對較大。

圖15：電容應(yīng)用于芯片供電電源退耦

芯片高頻噪聲旁路：

半導(dǎo)體制造工藝的持續(xù)提升，芯片工作頻率持續(xù)提高，芯片處理數(shù)據(jù)時(shí)的快速切換，在芯片供電電源線上產(chǎn)生高頻噪聲干擾，高頻噪聲進(jìn)入芯片內(nèi)部不同模塊電路時(shí)，會引起模塊電路間的相互干擾。

高頻噪聲形成的高頻電流環(huán)路，不加以控制則會引起EMI問題，為切斷高頻噪聲耦合路徑，需要在芯片供電電源引腳上增加高頻旁路電容，使高頻噪聲以最小環(huán)路面積回流到源端，改善EMI問題和芯片模塊間串?dāng)_問題。    

2.6、芯片退耦或旁路電容的PCB設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

圖16：退耦電容或者旁路電容引起共阻抗耦合

供電電源引腳通常在原理圖設(shè)計(jì)階段會放置兩顆電容，甚至更多。PCB Layout設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將高頻電容靠近芯片引腳放置，大容量電容或者電解電容則可以距離芯片供電電源引腳稍遠(yuǎn)，主要是高頻布線寄生電感的影響。當(dāng)多個(gè)電源引腳遠(yuǎn)離濾波電容較遠(yuǎn)時(shí)，不同引腳會因?yàn)楣灿靡欢蜳CB布線而形成共阻抗耦合，如上圖所示。

2.6.1、單點(diǎn)匯流解決共阻抗耦合：

圖17：不同電源引腳共用濾波電容時(shí)單點(diǎn)匯流解決共阻抗耦合

低成本設(shè)計(jì)時(shí)，芯片相同電壓的供電電源引腳共用濾波電容時(shí)，每個(gè)電源應(yīng)單點(diǎn)布線在濾波電容處回合，避免共阻抗耦合，如上圖所示。    

2.6.2、不同供電電源引腳單獨(dú)退耦解決共阻抗耦合：

圖18：不同電源引腳單獨(dú)退耦解決共阻抗耦合

芯片不同供電電源引腳使用單獨(dú)的高頻電容進(jìn)行高頻退耦，而低頻退耦或者濾波則可以共用濾波電容，這是因?yàn)榈皖l寄生電感的影響可以忽略不計(jì)。

2.6.3、不同供電電源引腳單獨(dú)退耦+磁珠隔離解決共阻抗耦合：

受限于芯片內(nèi)部供電電源引腳內(nèi)阻的影響，有時(shí)候高頻的退耦和旁路效果不理想時(shí)，則可以采用不同電源引腳單獨(dú)退耦并增加磁珠進(jìn)行高頻衰減隔離的對策來解決共阻抗耦合的問題。