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开关噪声 EMC —— 使用电容器降低噪声

EMC 村田电容器 噪声对策 作者: 来源: 发布时间:2019-05-13 15:13:48   浏览:3

使用村田电容器降低噪声

现在的电路设计中对EMC要求越来越高,我们需要了解如何更好的降低噪声,本文主要讲解如何使用电容器降低噪声。在众多品牌的电容中,相对而言颖特新科技代理的村田电容性能稳定,电容器降低噪声效果更好。

1.使用电容器的噪声对策

1)使用电容器降低噪声

噪声分很多种,性质也是多种多样的。所以,噪声对策(即降低噪声的方法)也多种多样。在这里主要谈开关电源相关的噪声,因此,请理解为DC电压中电压电平较低、频率较高的噪声。另外,除电容外,还有齐纳二极管和噪声/浪涌/ESD抑制器等降噪部件。不同的噪声性质,所需要的降噪部件也各不相同。如果是DC/DC转换器,多数会根据其电路和电压电平,用LCR来降低噪声。

2)使用电容器降低噪声的示意图

下面是通过添加电容器来降低DC/DC转换器输出电压噪声的示例。

使用村田电容器降低噪声的示意图使用村田电容器降低噪声的示意图

左侧的波形是输出端LC滤波器的电容为22μF时,在约200MHz的频率范围存在180mVp-p左右的噪声(振铃、反射)。右侧波形是为了降低这种噪声而添加了2200pF电容后的结果。从波形图可以看出,添加2200pF的电容使噪声降低了100mV左右。

这里应该思考的是“为什么是2200pF”。右下图为所添加电容器的阻抗频率特性。

之所以选择2200pF的电容,是因为阻抗在160MHz附近最低,利用这种阻抗特性,可降低噪声幅度约2MHz。

这是通过添加电容器来降低目标噪声频率的阻抗,从而降低噪声幅度的手法。

像这样通过添加电容器来降低噪声时,需要把握噪声(振铃、反射)的频率,并选择具有相应阻抗的频率特性的电容器。

阻抗特性

以上简单介绍了利用电容器来降低噪声的对策。接下来将介绍去耦电容的有效使用方法。

关键要点
▪ 通过降低目标噪声频率的阻抗来降低噪声幅度。
▪ 降噪用电容器的选型需要根据阻抗的频率特性进行(而非容值)。

2. 电容的频率特性

前面介绍了开关电源输入用共模滤波器中包括电容器、电感、铁氧体磁珠和电阻等部件。接下来将对其中使用电容和电感降噪的对策进行介绍,这也可以称为“噪声对策的基础”。在这里使用简单的四元件模型。如果要进一步表达高频谐振时,可能需要更多的元件模型。

1)电容的频率特性

探讨利用电容器来降低噪声时,充分了解电容器的特性是非常重要的。右下图为电容器的阻抗和频率之间的关系示意图,是电容器最基础的特性之一。

电容器中不仅存在电容量C,还存在电阻分量ESR(等效串联电阻)、电感分量ESL(等效串联电感)、与电容并联存在的EPR(等效并联电阻)。EPR与电极间的绝缘电阻IR或电极间有漏电流的具有相同的意义。可能一般多使用“IR”。

电容的频率特性

C和ESL形成串联谐振电路,电容器的阻抗原则上呈上图所示的V字型频率特性。到谐振频率之前呈容性特性,阻抗下降。谐振频率的阻抗取决于ESR。过了谐振频率之后,阻抗特性变为感性,阻抗随着频率升高而升高。感性阻抗特性取决于ESL。

谐振频率可通过以下公式计算。

谐振频率

从该公式可以看出,容值越小、ESL越低的电容器,谐振频率越高。如果将其应用于噪声消除,则容值越小、ESL越低的电容器,频率越高,阻抗越低,因此可以很好地消除高频噪声。

虽然这里说明的顺序有些前后颠倒,不过使用电容器降低噪声的对策,是利用了电容器“交流通过时频率越高越容易通过”这个基本特性,将不需要的噪声(交流分量)经由信号、电源线旁路到GND等。

下图为不同容值的电容器的阻抗频率特性。在容性区域,容值越大,阻抗越低。另外,容值越小,谐振频率越高,在感性区域阻抗越低

不同容值的电容器的阻抗频率特性

下面总结一下电容器阻抗的频率特性。

• 容值和ESL越小,谐振频率越高,高频区域的阻抗越低。

•容值越大,容性区域的阻抗越低。

•ESR越小,谐振频率的阻抗越低。

•ESL越小,感性区域的阻抗越低。

简单来说,阻抗低的电容器具有出色的噪声消除能力,不同的电容器其阻抗的频率特性也不同,所以这一特性是非常重要的确认要点。选择降噪用电容器时,请根据阻抗的频率特性来选型(而非容值)。

选择降噪用电容器时,确认频率特性需要意识到连接的是LC的串联谐振电路(而非电容)。

关键要点
▪ 降噪用电容器的选型需要根据阻抗的频率特性进行(而非容值)。
▪ 容值和ESL越小,谐振频率越高,高频区域的阻抗越低。
▪ 容值越大,容性区域的阻抗越低。
▪ ESR越小,谐振频率的阻抗越低。
▪ ESL越小,感性区域的阻抗越低。

文章转载自:https://zhuanlan.zhihu.com/p/61020210

编辑:amy  最后修改时间:2019-05-13