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2019.02.21 开关噪声-EMC

电容的频率特性

使用电容器降低噪声

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。

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。