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旁路电容器的阻抗特性

电源电路上的旁路电容器大致有两个功能。一是将叠加在电源线上的噪声成分释放到地面上。当噪声成分高于稳定电压时,通过向电容器充电,低放电可以减少电压的变化。此外,随着电容器频率的增加,交流阻抗也会减小,因此高频噪声成分很容易释放到地面上。二是抑制负载电流突然变化引起的电源线波动。电源线有配线阻抗,负载电流急变时电压下降。因此,偏离设定电压和电压噪声。旁路电容器通过放电(如果电压低于稳态电压)或充电(如果电压高于稳态电压)来减少电压变化。它的作用类似于短时间运行的辅助电源。旁路电容器所需的性能是在高于稳定电压的情况下充电,如果下降会放电,因此电容器必须具有与噪声频率和电压变化速度相对应的性能。接下来,让我们考虑所需的性能。Figure显示简化的电容器等效电路。C静电容量。ESR是等效串联电阻,取决于电介质类型的电阻分量和电极和端子的电阻分量。ESL是电极、端子等电容器结构产生的等效串联电感。

通过表达式(1)计算等效电路的阻抗Figure 2所示。电容C在低频区域决定阻抗。在高频区域,ESL决定阻抗。C和ESL串联共振具有相同的阻抗(1/2πf C=2πf ESL)由于C和ESL影响变为零,所以只有ESR的影响。自谐振频率可通过公式(2)计算。要作为电容器发挥作用,必须在比自谐振频率低的区域使用。

旁路电容器的选择要点如下。1. 选择足够大的电容值来降低噪声频率下的阻抗。电容值越大,阻抗越低。2. 在低于自谐振频率的区域使用。3. 选择ESR较小的设备可以降低阻抗。4. 选择高频噪声ESL较小的器件。5. 储存电荷的选择可以抑制电压下降的容量值。陶瓷电容器的阻抗特性为了降低电源线的阻抗,需要大容量、低ESR、低ESL电容器,但不能用电容器覆盖较宽的频带范围。一般来说,容量大的电容器形状会变大ESL也会变大。因此,自谐振频率较低,高频区域阻抗较高。另一方面,容量小的电容器一般形状小,ESL也会变小。因此,自谐振频率高,在高频区域内可获得低阻抗。但由于电容值小,低频阻抗会变高。为了在宽频带范围内实现低阻抗,有一种方法是并联各频带范围对应的多个电容器。Figure 三是层叠陶瓷电容器(MLCC)一个例子。在这个例子中,一个22μF旁路电容器1MHz阻抗在上述情况下会上升,因此预计噪声在高频范围内会恶化(红线)。将100pF到1μF并联电容器可以减少合成阻抗(黑线)。如果放置自谐振频率分离作为一个考虑因素,MLCC,在各个C和ESL并联谐振会产生,阻抗可能会增加。因此,请务必确认实机。这种并联谐振被称为反谐振点。即使是容量相同的电容器,如果尺寸或型号不同,阻抗特性也会有所不同。另外,实际上PCB由于布线产生的寄生电感成分,阻抗值可能不会根据电容器的特性而变小。根据Figure 3图表,把握每个频带有效容量值的大致范围,成为噪声对策的指南。例如,为了减少短波(HF)带(短波收音机、市民广播等。)的噪音,超短波(VHF)带(FM无线电等)的对策是把0.01μF的MLCC并列连接几个,可以期待改进。Figure 3. 多容量层叠陶瓷电容器并联连接的阻抗特性。在宽频带上实现低阻抗

大容量陶瓷电容器由于价格昂贵或无法供应,经常被电解电容器取代,但其阻抗特性高于陶瓷电容器,需要注意。Figure 4中的红线显示330μF例如铝电解电容器的阻抗特性。在这个例子中,大约有10个kHz受到上述阻抗ESR因此,值的限制没有下降。100pF到22μF的线表示MLCC的特性。通过将这些MLCC与铝电解电容器并联,可降低合成阻抗(黑线)。Figure 4的例子是为了说明MLCC但是太多的设备不容易实现。例如Figure 这样,即使是大约3个电容器的组合也可以降低宽频带的阻抗,并根据需要考虑增加高频域的电容器。

Figure 4.铝电解电容器阻抗特性的例子。多容量层叠陶瓷电容器并联可实现宽频带范围内的低阻抗。

Figure 5. 即使是大约三个电容器的组合也可以降低宽频带的阻抗,并根据需要增加高频域的电容器。此外,使用铝电解质电容器等液体电解质电解质电容器时,应注意其在低温下的特性。在低温下,液体电解电容器中使用的电解液会增加粘度和阻抗,降低离子移动性,从而降低容量ESR增加。这样,低温阻抗就会上升。Figure 以铝电解电容器的阻抗特性为例。在这个例子中,40°C时的阻抗比 25°C当阻抗高于数量级时。如果电路运动有问题,需要考虑更换低阻抗电容器,如导电聚合物铝固体电容器或导电聚合物混合铝电解电容器,即使在低温下。例如各种电容器的阻抗特性Figure 7、8所示。

选择更换电容器时的注意事项。产品量产后,有时会因为无法提供现有电容器或寻找替代电容器来降低成本。但是,如果第三方不了解电路动作,只关注容量和额定电压进行选择,现异常动作或EMC超标问题。这是因为根据电容器的形状、结构和材料,即使是同一个制造商,只要型号不同,特性也会不同。请确认电容器的阻抗特性。此外,通过电路图和BOM为了避免这个问题,中追加特别记录。

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