如何使用電容從后級應(yīng)對開關(guān)電源噪聲
電容的作用非常廣泛，在開關(guān)電源上不僅作為前后儲能電容，降低輸出紋波，還可以作為單一降噪元件，處理開關(guān)電源的噪聲問題。
01 電容的頻率特性
利用電容器來降低噪聲時(shí)，需要了解電容器的特性，圖1為電容器的阻抗-頻率特性圖。
圖1 電容的阻抗-頻率特性
電容器中不僅存在電容量C，還存在電阻分量ESR、電感分量ESL、與電容并聯(lián)存在的EPR（等效并聯(lián)電阻）。C和ESL形成串聯(lián)諧振電路，電容器的阻抗原則上呈上圖所示的V字型頻率特性。諧振頻率SRF之前呈容性特性，阻抗下降，諧振頻率點(diǎn)的阻抗取決于ESR。過了諧振頻率之后，阻抗特性變?yōu)楦行?，阻抗隨著頻率升高而升高，感性阻抗特性取決于ESL。諧振頻率可通過以下公式計(jì)算：
從該公式可以看出，容值越小、ESL越低的電容器，諧振頻率越高，應(yīng)用于噪聲消除，則容值越小、ESL越低的電容器，頻率越高，阻抗越低，不需要的噪聲（交流分量）更容易經(jīng)由信號、電源線旁路傳導(dǎo)到GND，因此可以很好地消除高頻噪聲。
圖2為不同容值的電容器的阻抗頻率特性，在容性區(qū)域，容值越大，阻抗越低，另外容值越小，諧振頻率點(diǎn)越高，在感性區(qū)域阻抗越低。簡單來說，阻抗低的電容器具有出色的噪聲消除能力，不同的電容器其阻抗的頻率特性也不同，所以這一特性是非常重要的確認(rèn)要點(diǎn)。選擇降噪用電容器時(shí)，請根據(jù)阻抗的頻率特性而非容值來選型，為了在高頻率范圍內(nèi)使用低阻抗的電容器，選擇低ESR和ESL的電容器變得很重要。
圖2 不同電容的頻率特性
02 高Q值陶瓷電容器
電容器具有被稱為“Q”的特性，圖3表示電容Q值和頻率-阻抗特性之間的關(guān)系。
圖3 電容器的Q值與頻率－阻抗特性的關(guān)系
當(dāng)Q值高時(shí)，tanδ小，阻抗在特定的窄帶會變得非常低；當(dāng)Q值低時(shí)，tanδ大，阻抗雖然不會極度下降，但可以在很寬的頻段內(nèi)降低，這種特性可能有助于符合某些EMC標(biāo)準(zhǔn)。例如，使用電容量變化較大的電容器時(shí)，如果Q值很高，低阻抗覆蓋頻段就比較窄，則可能存在無法消除目標(biāo)頻率噪聲的情況，此時(shí)還有一種通過使用低Q電容器（低阻抗覆蓋頻段就比較寬）來抑制波動影響的手法。
03 使用電容降低噪聲效果示例
噪聲和其特性多種多樣，處理噪聲的方法也多種多樣，在這里主要談開關(guān)電源相關(guān)的噪聲，DC-DC電壓中噪聲電壓水平較低，而頻率較高，多數(shù)會根據(jù)其電路和電壓電平，用LCR來降低噪聲。圖4和圖6是通過添加電容器來降低DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓噪聲的示例：
圖4 輸出電壓波形，Co=22uF
圖4的波形是輸出端LC濾波器的電容為22μF時(shí)，在約200MHz的頻率范圍存在180mVp-p左右的噪聲（振鈴、反射）。
圖5 LC無源濾波器
圖6的波形是為了降低這種噪聲而添加了2200pF電容器后的結(jié)果，可見當(dāng)增加2200pF的電容器后，噪聲衰減至100mV左右。
圖6 輸出電壓波形，Co=22uF
下面的圖7為所添加2200pF電容器的阻抗頻率特性：
圖7 2200pF/50V的阻抗特性
如圖7所示，之所以選擇2200pF的電容，是因?yàn)樽杩乖?60MHz附近最低，利用這種阻抗特性，可降低噪聲幅度約200MHz。
像這樣通過添加電容器來降低目標(biāo)噪聲頻率的阻抗時(shí)，需要把握噪聲（振鈴、反射）的頻率，并選擇具有相應(yīng)阻抗的頻率特性的電容器，從而降低噪聲幅度。
04 使用電容降低噪聲要點(diǎn)
有效地使用去耦電容器，第一個要點(diǎn)是用多個電容器進(jìn)行去耦，使用多個電容器時(shí)，使用相同容值的電容器時(shí)和交織使用不同容值的電容器時(shí)，效果是不同的。
1.使用多個容值相同的電容器
圖8是使用1個22μF的電容時(shí)（藍(lán)色）、增加1個變?yōu)?個時(shí)（紅色）、再增加1個變?yōu)?個（紫色）時(shí)的頻率特性。
圖8 使用多個容值相同的電容器時(shí)
如圖8所示，當(dāng)增加容值相同的電容器后，阻抗在整個頻率范圍均向低的方向轉(zhuǎn)變，也就是說阻抗越來越低。這一點(diǎn)可通過思考并聯(lián)連接容值相同的電容時(shí)，到諧振點(diǎn)的容性特性、取決于ESR的諧振點(diǎn)阻抗、諧振點(diǎn)以后的ESL影響的感性特性來理解。并聯(lián)的電容容值是相加的，所以3個電容為66μF，容性區(qū)域的阻抗下降。
諧振點(diǎn)的阻抗是3個電容的ESR并聯(lián)，假設(shè)這些電容的ESR全部相同，則ESR減少至1/3，阻抗也下降。諧振點(diǎn)以后的感性區(qū)域的ESL也是并聯(lián)的，假設(shè)3個電容的ESL全部相同，則ESL減少至1/3，阻抗也下降。由此可知，通過使用多個相同容值的電容器，可在整個頻通過增加容值更小的電容，可降低高頻段的阻抗。
2.使用多個容值不同的電容器
圖9 使用多個容值不同的電容器時(shí)
相對于一個22μF電容的頻率特性來說，0.1μF和0.01μF的特性是合成后的特性（紅色虛線）。需要注意的是，有些頻率點(diǎn)產(chǎn)生反諧振，阻抗反而增高，EMI惡化，反諧振發(fā)生于容性特性和感性特性的交越點(diǎn)。所增加電容器的電容量，一般需要根據(jù)目標(biāo)降噪頻率進(jìn)行選型。另外，在這里給出的頻率特性波形圖是理想的波形圖，并未考慮PCB板的布局布線等引起的寄生分量，在實(shí)際使用中，需要考慮寄生分量的影響。
3.降低去耦電容器的ESL
第二個要點(diǎn)是降低電容的ESL，但由于無法改變單個產(chǎn)品的ESL本身，因此即使容值相同，也要使用ESL小的電容器。通過降低ESL，可改善高頻特性，并可更有效地降低高頻噪聲。
即使容值相同也要使用尺寸較小的電容器，對于積層陶瓷電容器MLCC，會有容值相同但尺寸不同的幾個封裝。ESL取決于引腳部位的結(jié)構(gòu)，尺寸較小的電容器基本上引腳部位也較小，通常ESL較小。
圖10 使用多個容值不同的電容器時(shí)
如圖10是容值相同、大小不同的電容的頻率特性示例，更小的1005尺寸的諧振頻率更高，在之后感性區(qū)域的頻率范圍阻抗較低。電容的諧振頻率是基于以下公式的：
從公式中可以看出，只要容值相同，ESL越低諧振頻率越高，另外感性區(qū)域的阻抗特性取決于ESL。
如圖11所示，積層陶瓷電容器中，有些型號采用的是旨在降低ESL的形狀和結(jié)構(gòu)。
圖11 普通的電容器和旨在降低ESL的電容器
LW型逆轉(zhuǎn)型電容通過反轉(zhuǎn)LW、擴(kuò)大電極寬度并縮短長度來降低ESL的，三端電容（饋通電容）的ESR/ESL更低，具有優(yōu)異的高頻特性，三端電容與常規(guī)電容相比，高頻時(shí)具有20-30dB左右的衰減能力。
如圖11所示，普通電容器的電極在短邊側(cè)，而LW逆轉(zhuǎn)型的電極則相反，在長邊側(cè)。由于L和W相反，故稱LW逆轉(zhuǎn)型，是通過增加電極的寬度來降低ESL的類型。
三端電容是為了改善普通電容器兩個引腳的頻率特性而優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的電容器。三端電容是將雙引腳電容的一個引腳（電極）的另一端向外伸出作為直通引腳，將另一個引腳作為接地引腳。在上圖中，輸入輸出電極相當(dāng)于兩端伸出的直通引腳，左右的電極當(dāng)然是導(dǎo)通的。這種輸入輸出電極（直通引腳）和接地電極之間存在電介質(zhì)，起到電容的作用。
將輸入輸出電極串聯(lián)插入電源或信號線（將輸入輸出電極的一端連接輸入端，另一端連接輸出端），GND電極接地。這樣，由于輸入輸出電極的ESL不包括在接地端，因此接地的阻抗變得非常低。另外輸入輸出電極的ESL通過在噪聲路徑直接插入，有利于降低噪聲（增加插入損耗），通過在長邊側(cè)成對配置接地電極，可抑制ESL；再采用并聯(lián)的方式，可使ESL減半?；谶@樣的結(jié)構(gòu)，三端電容不僅具有非常低的ESL，而且可保持低ESR，與相同容值相同尺寸的雙引腳型電容相比，可顯著改善高頻特性，在超高速數(shù)字信號或者射頻信號中使用更加廣泛。
