开关噪声 EMC —— 使用电容器降低噪声

时间:2019-03-29 14:52来源:21Dianyuan

摘要:开关噪声EMC系列之三

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。
 
 
 
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。
 
 
 
本文简单介绍了利用电容器来降低噪声的对策。下一篇文章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 
上一篇文章中,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”。
 
 
 
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。
 
 
 
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。
 
 
 
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。

上一章:开关噪声 EMC —— 噪声对策
下一章:开关噪声 EMC —— 去耦电容的有效使用方法
自:罗姆半导体集团 ROHM Semiconductor TechWeb
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