去耦电容的有效使用方法

[导读]本文来源于面包板社区去耦电容有效使用方法的要点大致可以分为以下两种。另外，还有其他几点需要注意。・要点1：使用多个去耦电容・要点2：降低电容的ESL（等效串联电感）・其他注意事项要点1：使用多个去耦电容去耦电容的有效使用方法之一是用多个（而非1个）电容进行去耦。使用多个电容时，使...

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去耦电容有效使用方法的要点大致可以分为以下两种。另外，还有其他几点需要注意。

・要点1：使用多个去耦电容
・要点2：降低电容的ESL（等效串联电感）
・其他注意事项

要点1：使用多个去耦电容

去耦电容的有效使用方法之一是用多个（而非1个）电容进行去耦。使用多个电容时，使用相同容值的电容时和使用不同容值的电容时，效果是不同的。

・使用多个容值相同的电容时

下图是使用1个22µF的电容时（蓝色）、增加1个变为2个时（红色）、再增加1个变为3个（紫色）时的频率特性。

如图所示，当增加容值相同的电容后，阻抗在整个频率范围均向低的方向转变，也就是说阻抗越来越低。

这一点可通过思考并联连接容值相同的电容时，到谐振点的容性特性、取决于ESR（等效串联电阻）的谐振点阻抗、谐振点以后的ESL（等效串联电感）影响的感性特性来理解。

并联的电容容值是相加的，所以3个电容为66µF，容性区域的阻抗下降。

谐振点的阻抗是3个电容的ESR并联，因此为，假设这些电容的ESR全部相同，则ESR减少至1/3，阻抗也下降。

谐振点以后的感性区域的ESL也是并联，因此为，假设3个电容的ESL全部相同，则ESL减少至1/3，阻抗也下降。

由此可知，通过使用多个相同容值的电容，可在整个频率范围降低阻抗，因此可进一步降低噪声。

・使用多个容值不同的电容时

这些曲线是在22µF的电容基础上并联增加0.1µF、以及0.01µF的电容后的频率特性。

通过增加容值更小的电容，可降低高频段的阻抗。相对于一个22µF电容的频率特性来说，0.1µF和0.01µF的特性是合成后的特性（红色虚线）。

这里必须注意的是，有些频率点产生反谐振，阻抗反而增高，EMI恶化。反谐振发生于容性特性和感性特性的交叉点。

所增加电容的电容量，一般需要根据目标降噪频率进行选型。

另外，在这里给出的频率特性波形图是理想的波形图，并未考虑PCB板的布局布线等引起的寄生分量。在实际的噪声对策中，需要考虑寄生分量的影响。

关键要点

・去耦电容的有效使用方法有两个要点：①使用多个电容，②降低电容的ESL。

・使用多个电容时，容值相同时和不同时的效果不同。

要点2：降低电容的ESL（等效串联电感）

去耦电容的有效使用方法的第二个要点是降低电容的ESL（即等效串联电感）。虽说是“降低ESL”，但由于无法改变单个产品的ESL本身，因此这里是指“即使容值相同，也要使用ESL小的电容”。通过降低ESL，可改善高频特性，并可更有效地降低高频噪声。

・即使容值相同也要使用尺寸较小的电容

对于积层陶瓷电容（MLCC），有时会准备容值相同但尺寸不同的几个封装。ESL取决于引脚部位的结构。尺寸较小的电容基本上引脚部位也较小，通常ESL较小。

下图是容值相同、大小不同的电容的频率特性示例。如图所示，更小的1005尺寸的谐振频率更高，在之后感性区域的频率范围阻抗较低。这正如在“电容的频率特性”中所介绍的，电容的谐振频率是基于以下公式的，从公式中可见，只要容值相同，ESL越低谐振频率越高。另外，感性区域的阻抗特性取决于ESL，这一点也曾介绍过。

关于噪声对策，当需要降低更高频段的噪声时，可以选择尺寸小的电容。

・使用旨在降低ESL的电容

积层陶瓷电容中，有些型号采用的是旨在降低ESL的形状和结构。

如图所示，普通电容的电极在短边侧，而LW逆转型的电极则相反，在长边侧。由于L（长度）和W（宽度）相反，故称“LW逆转型”。是通过增加电极的宽度来降低ESL的类型。

三端电容是为了改善普通电容（两个引脚）的频率特性而优化了结构的电容。三端电容是将双引脚电容的一个引脚（电极）的另一端向外伸出作为直通引脚，将另一个引脚作为GND引脚。在上图中，输入输出电极相当于两端伸出的直通引脚，左右的电极当然是导通的。这种输入输出电极（直通引脚）和GND电极间存在电介质，起到电容的作用。

将输入输出电极串联插入电源或信号线（将输入输出电极的一端连接输入端，另一端连接输出端），GND电极接地。这样，由于输入输出电极的ESL不包括在接地端，因此接地的阻抗变得非常低。另外，输入输出电极的ESL通过在噪声路径直接插入，有利于降低噪声（增加插入损耗）。

通过在长边侧成对配置GND电极，可抑制ESL；再采用并联的方式，可使ESL减半。

基于这样的结构，三端电容不仅具有非常低的ESL，而且可保持低ESR，与相同容值相同尺寸的双引脚型电容相比，可显著改善高频特性。

下一篇文章计划对相关的几点注意事项进行介绍。

关键要点:
・去耦电容的有效使用方法有两个要点：①使用多个电容，②降低电容的ESL。

・通过降低电容的ESL，可改善高频特性，并可更有效地降低高频噪声。

・有的电容虽然容值相同，但因尺寸和结构不同而ESL更小。

其他注意事项

①Q较高的陶瓷电容

电容具有被称为“Q”的特性。下图即表示Q和频率－阻抗特性之间的关系。

当Q值高时，阻抗在特定的窄带会变得非常低。当Q值低时，阻抗虽然不会极度下降，但可以在很宽的频段内降低。这种特性可能有助于符合某些EMC标准。例如，使用电容量变化较大的电容时，如果Q值很高，则可能存在无法消除目标频率噪声的个体。在这种情况下，还有一种通过使用具有低Q的电容来抑制波动影响的手法。

②热风焊盘等的PCB图形

旨在提高散热性的热风焊盘等的PCB图形，图形的电感分量会增加。电感分量的增加会使谐振频率向低频端移动，所以有时可能无法获得理想的噪声消除效果。

③探讨对策时的电容试装

试制后需要对高频噪声采取对策，可以考虑增加小容量的电容器。此时，如下图所示，如果在大容量电容器上安装要增加的电容器（左例），则纵向会增加额外的电感分量，因此不能充分发挥增加电容器的效果。在中间的例子中，虽然未违背“尽可能使小容量电容靠近噪声源”的理论，但阻抗会与实际修改的PCB布局不同。最好的方法是以尽量接近实际修改的配置进行探讨（右例）。

在探讨对策时，也可能会发生虽然噪声试验OK，但安装到修改后的PCB时NG的现象，因此需要在探讨时就有意识地按照实际来安装。

④电容的电容量变化率

噪声对策用的电容的电容量变化率较大时，谐振频率的波动会变大，目标消减频段会产生变化或波动，有时很难找到理想的噪声对策。尤其是需要在窄频段大幅消除噪声时，需要格外注意。下表表示电容量变化率和实际的电容量和谐振频率之间的关系。仔细看这个表的话可以看出，虽然视条件而定，不过很多情况是无法接受的。

⑤电容器的温度特性

众所周知，电容的特性会受温度影响。目前，EMC测试的温度特性尚未标准化，但在某些应用中，不得不在明显的高温或低温条件/环境下工作、或在会产生较大温度变化的条件/环境下使用。

在这类情况下，非常有可能发生“④电容量变化率”中提到的问题，所以，用于噪声对策的电容，需要尽量使用具有CH、C0G特性的温度特性优异的产品。

关键要点

・理解Q与频率－阻抗特性之间的关系，并根据目的区分Q的差异。

・高Q电容窄带阻抗急剧下降。低Q电容在较宽频段相对平缓下降。

・PCB图形的热风焊盘等会增加电感分量，使谐振频率向低频端移动。

・探讨对策时的试装，如果不按照现实的修改实际安装，很可能在修改后的PCB板上无法获得探讨时的效果。

・电容量变化率大时，谐振频率会变化，无法获得目标频率理想的噪声消除效果。