使用電容降低雜訊

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電容的頻率特性

探討利用電容來降低雜訊時，充分瞭解電容的特性是非常重要的。右下圖為電容的電阻和頻率之間的關係示意圖，是電容最基礎的特性之一。

電容中不僅存在電容量C，還存在電阻分量ESR（等效串聯電阻）、電感分量ESL（等效串聯電感）、與電容並聯存在的EPR（等效並聯電阻）。EPR與電極間的絕緣電阻IR或電極間有漏電流的具有相同的意義。可能一般多使用“IR”。

                               
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C和ESL形成串聯諧振電路，電容的電阻原則上呈上圖所示的V字型頻率特性。到諧振頻率之前呈容性特性，電阻下降。諧振頻率的電阻取決於ESR。過了諧振頻率之後，電阻特性變為感性，電阻隨著頻率升高而升高。感性電阻特性取決於ESL。

諧振頻率可通過以下公式計算。

                               
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從該公式可以看出，容值越小、ESL越低的電容，諧振頻率越高。如果將其應用於雜訊消除，則容值越小、ESL越低的電容，頻率越高，電阻越低，因此可以很好地消除高頻雜訊。

雖然這裡說明的順序有些前後顛倒，不過使用電容降低雜訊的對策，是利用了電容“交流通過時頻率越高越容易通過”這個基本特性，將不需要的雜訊（交流分量）經由訊號、電源線旁路到GND等。

下圖為不同容值的電容的電阻頻率特性。在容性區域，容值越大，電阻越低。另外，容值越小，諧振頻率越高，在感性區域電阻越低。

                               
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下面總結一下電容電阻的頻率特性。

• ・容值和ESL越小，諧振頻率越高，高頻區域的電阻越低。
• ・容值越大，容性區域的電阻越低。
• ・ESR越小，諧振頻率的電阻越低。
• ・ESL越小，感性區域的電阻越低。
  

簡單來說，電阻低的電容具有出色的雜訊消除能力，不同的電容其電阻的頻率特性也不同，所以這一特性是非常重要的確認要點。選擇降噪用電容時，請根據電阻的頻率特性來選型（而非容值）。

選擇降噪用電容時，確認頻率特性需要意識到連接的是LC的串聯諧振電路（而非電容）。

重點:

・降噪用電容器的選型需要根據電阻的頻率特性進行（而非容值）。

・容值和ESL越小，諧振頻率越高，高頻區域的電阻越低。

・容值越大，容性區域的電阻越低。

・ESR越小，諧振頻率的電阻越低。

・ESL越小，感性區域的電阻越低。

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使用電容降低雜訊

雜訊分很多種，性質也是多種多樣的。所以，雜訊對策（即降低雜訊的方法）也多種多樣。在這裡主要談開關電源相關的雜訊，因此，請理解為DC電壓中電壓電平較低、頻率較高的雜訊。另外，除電容外，還有齊納二極體和雜訊/突波/ESD抑制器等降噪零件。不同的雜訊性質，所需要的降噪零件也各不相同。如果是DC/DC轉換器，多數會根據其電路和電壓電平，用LCR來降低雜訊。

使用電容降低雜訊的示意圖

下面是通過添加電容來降低DC/DC轉換器輸出電壓雜訊的示例。

                               
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左側的波形是輸出端LC濾波器的電容為22µF時，在約200MHz的頻率範圍存在180mVp-p左右的雜訊（振鈴、反射）。右側波形是為了降低這種雜訊而添加了2200pF電容後的結果。從波形圖可以看出，添加2200pF的電容使雜訊降低了100mV左右。

這裡應該思考的是“為什麼是2200pF”。右下圖為所添加電容的電阻頻率特性。

之所以選擇2200pF的電容，是因為電阻在160MHz附近最低，利用這種電阻特性，可降低雜訊幅度約2MHz。

這是通過添加電容來降低目標雜訊頻率的電阻，從而降低雜訊幅度的手法。

像這樣通過添加電容來降低雜訊時，需要把握雜訊（振鈴、反射）的頻率，並選擇具有相應電阻的頻率特性的電容。

                               
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本文簡單介紹了利用電容來降低雜訊的對策。下一篇文章將介紹去耦電容的有效使用方法。

重點:

・通過降低目標雜訊頻率的電阻來降低雜訊幅度。

・降噪用電容器的選型需要根據電阻的頻率特性進行（而非容值）。

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去耦電容的有效使用方法

去耦電容有效使用方法的要點大致可以分為以下兩種。另外，還有其他幾點需要注意。本文就以下三點中的“要點1”進行介紹。

• ・要點1：使用多個去耦電容
• ・要點2：降低電容的ESL（等效串聯電感）
• ・其他注意事項
  

要點1：使用多個去耦電容

去耦電容的有效使用方法之一是用多個（而非1個）電容進行去耦。使用多個電容時，使用相同容值的電容時和交織使用不同容值的電容時，效果是不同的。

・使用多個容值相同的電容時

右圖是使用1個22µF的電容時（藍色）、增加1個變為2個時（紅色）、再增加1個變為3個（紫色）時的頻率特性。

如圖所示，當增加容值相同的電容後，電阻在整個頻率範圍均向低的方向轉變，也就是說電阻越來越低。

這一點可通過思考並聯連接容值相同的電容時，到諧振點的容性特性、取決於ESR（等效串聯電阻）的諧振點電阻、諧振點以後的ESL（等效串聯電感）影響的感性特性來理解。

並聯的電容容值是相加的，所以3個電容為66µF，容性區域的電阻下降。

                               
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諧振點的電阻是3個電容的ESR並聯，因此為

                               
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，假設這些電容的ESR全部相同，則ESR減少至1/3，電阻也下降。

諧振點以後的感性區域的ESL也是並聯，因此為

                               
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，假設3個電容的ESL全部相同，則ESL減少至1/3，電阻也下降。

由此可知，通過使用多個相同容值的電容，可在整個頻率範圍降低電阻，因此可進一步降低雜訊。

・使用多個容值不同的電容時

這些曲線是在22µF的電容基礎上並聯增加0.1µF、以及0.01µF的電容後的頻率特性。

通過增加容值更小的電容，可降低高頻段的電阻。相對於一個22µF電容的頻率特性來說，0.1µF和0.01µF的特性是合成後的特性（紅色虛線）。

這裡必須注意的是，有些頻率點產生反諧振，電阻反而增高，EMI惡化。反諧振發生於容性特性和感性特性的交叉點。

                               
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所增加電容的電容量，一般需要根據目標降噪頻率進行選型。

另外，在這裡給出的頻率特性波形圖是理想的波形圖，並未考慮PCB板的佈局佈線等引起的寄生分量。在實際的雜訊對策中，需要考慮寄生分量的影響。下一篇文章將介紹第2個要點。

重點:

・去耦電容的有效使用方法有二個要點：①使用多個電容，②降低電容的ESL。

・使用多個電容時，容值相同時和不同時的效果不同。

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要點2：降低電容的ESL

去耦電容的有效使用方法的第二個要點是降低電容的ESL（即等效串聯電感）。雖說是“降低ESL”，但由於無法改變單個產品的ESL本身，因此這裡是指“即使容值相同，也要使用ESL小的電容”。通過降低ESL，可改善高頻特性，並可更有效地降低高頻雜訊。

・即使容值相同也要使用尺寸較小的電容

對於積層陶瓷電容（MLCC），有時會準備容值相同但尺寸不同的幾個封裝。ESL取決於引腳部位的結構。尺寸較小的電容基本上引腳部位也較小，通常ESL較小。

右圖是容值相同、大小不同的電容的頻率特性示例。如圖所示，更小的1005尺寸的諧振頻率更高，在之後感性區域的頻率範圍電阻較低。這正如在“電容的頻率特性”中所介紹的，電容的諧振頻率是基於以下公式的，從公式中可見，只要容值相同，ESL越低諧振頻率越高。另外，感性區域的電阻特性取決於ESL，這一點也曾介紹過。

                               
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關於雜訊對策，當需要降低更高頻段的雜訊時，可以選擇尺寸小的電容。

・使用旨在降低ESL的電容

積層陶瓷電容中，有些型號採用的是旨在降低ESL的形狀和結構。

                               
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如圖所示，普通電容的電極在短邊側，而LW逆轉型的電極則相反，在長邊側。由於L（長度）和W（寬度）相反，故稱“LW逆轉型”。是通過增加電極的寬度來降低ESL的類型。

三端電容是為了改善普通電容（兩個引腳）的頻率特性而最佳化了結構的電容。三端電容是將雙引腳電容的一個引腳（電極）的另一端向外伸出作為直通引腳，將另一個引腳作為GND引腳。在上圖中，輸入輸出電極相當於兩端伸出的直通引腳，左右的電極當然是導通的。這種輸入輸出電極（直通引腳）和GND電極間存在電介質，起到電容的作用。

將輸入輸出電極串聯插入電源或訊號線（將輸入輸出電極的一端連接輸入端，另一端連接輸出端），GND電極接地。這樣，由於輸入輸出電極的ESL不包括在接地端，因此接地的電阻變得非常低。另外，輸入輸出電極的ESL通過在雜訊路徑直接插入，有利於降低雜訊（增加插入損耗）。

通過在長邊側成對配置GND電極，可抑制ESL；再採用並聯的方式，可使ESL減半。

基於這樣的結構，三端電容不僅具有非常低的ESL，而且可保持低ESR，與相同容值相同尺寸的雙插件型電容相比，可顯著改善高頻特性。

下一篇文章計畫對相關的幾點注意事項進行介紹。

重點:

・去耦電容的有效使用方法有兩個要點：①使用多個電容，②降低電容的ESL。

・通過降低電容的ESL，可改善高頻特性，並可更有效地降低高頻雜訊。

・有的電容雖然容值相同，但因尺寸和結構不同而ESL更小。

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去耦電容的有效使用方法：其他注意事項

①Q較高的陶瓷電容

電容具有被稱為“Q”的特性。下圖即表示Q和頻率－電阻特性之間的關係。

                               
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當Q值高時，電阻在特定的窄帶會變得非常低。當Q值低時，電阻雖然不會極度下降，但可以在很寬的頻段內降低。這種特性可能有助於符合某些EMC標準。例如，使用電容量變化較大的電容時，如果Q值很高，則可能存在無法消除目標頻率雜訊的個體。在這種情況下，還有一種通過使用具有低Q的電容來抑制波動影響的手法。

②熱風焊盤等的PCB佈局

旨在提高散熱性的熱風焊盤等的PCB佈局，佈局的電感分量會增加。電感分量的增加會使諧振頻率向低頻端行動，所以有時可能無法獲得理想的雜訊消除效果。

                               
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③探討對策時的電容試裝

試製後需要對高頻雜訊採取對策，可以考慮增加小容量的電容。此時，如下圖所示，如果在大容量電容上安裝要增加的電容（左例），則縱向會增加額外的電感分量，因此不能充分發揮增加電容的效果。在中間的例子中，雖然未違背“盡可能使小容量電容靠近噪音源”的理論，但電阻會與實際修改的PCB佈局不同。最好的方法是以儘量接近實際修改的配置進行探討（右例）。

                               
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在探討對策時，也可能會發生雖然雜訊試驗OK，但安裝到修改後的PCB時NG的現象，因此需要在探討時就有意識地按照實際來安裝。

④電容的電容量變化率

雜訊對策用的電容的電容量變化率較大時，諧振頻率的波動會變大，目標消減頻段會產生變化或波動，有時很難找到理想的雜訊對策。尤其是需要在窄頻段大幅消除雜訊時，需要格外注意。下表表示電容量變化率和實際的電容量和諧振頻率之間的關係。仔細看這個表的話可以看出，雖然視條件而定，不過很多情況是無法接受的。

電容量變化率 （%）

電容量（pF）

諧振頻率（MHz）

+20

1,200

145

+10

1,100

152

+5

1,050

155

±0

1,000

159

-5

950

163

-10

900

168

-20

800

178

※ 按L=1nH計算

⑤電容的溫度特性

眾所眾知，電容的特性會受溫度影響。目前，EMC測試的溫度特性尚未標準化，但在某些應用中，不得不在明顯的高溫或低溫條件/環境下工作、或在會產生較大溫度變化的條件/環境下使用。

在這類情況下，非常有可能發生“④電容量變化率”中提到的問題，所以，用於雜訊對策的電容，需要儘量使用具有CH、C0G特性的溫度特性優異的產品。

重點:

・理解Q與頻率－電阻特性之間的關係，並根據目的區分Q的差異。

・高Q電容窄帶電阻急劇下降。低Q電容在較寬頻段相對平緩下降。

・PCB佈局的熱風焊盤等會增加電感分量，使諧振頻率向低頻端移動。

・探討對策時的試裝，如果不按照現實的修改實際安裝，很可能在修改後的PCB板上無法獲得探討時的效果。

・電容量變化率大時，諧振頻率會變化，無法獲得目標頻率理想的雜訊消除效果。

・在溫度條件和變動較大的嚴苛應用中，可以探討使用具有CH、C0G特性的溫度特性優異的電容。

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前面分三次對“去耦電容的有效使用方法”進行了介紹。利用電容來降低雜訊是非常重要的，所以在這裡總結一下。

・要點1：使用多個去耦電容
・要點2：降低電容的ESL（等效串聯電感）
・其他注意事項

要點1：使用多個去耦電容

使用多個電容去耦時，使用多個相同容值的電容和交織使用不同容值的電容時，效果是不同的。

■使用多個相同容值的電容時
在整個頻率範圍內電阻下降，可有效降低整體雜訊。

■使用多個不同容值的電容時
可降低更高頻段的電阻，可有效降低高頻雜訊。但是需要注意的是，有些頻率會產生反諧振，電阻反而增高，雜訊反而惡化。

要點2：降低電容的ESL

如果容量相同，則ESL越低諧振頻率越高，因此通過降低ESL可改善高頻特性，從而可更有效地降低高頻雜訊。

■即使容值相同也要使用尺寸較小的電容
ESL取決於電容引腳部位的結構，因此尺寸較小的電容基本上引腳部位也較小，通常ESL較小。當需要降低更高頻段的雜訊時，方法之一是選擇尺寸小的電容。但是，要注意DC偏置特性。

■使用旨在降低ESL的電容
積層陶瓷電容中，有些型號採用的是旨在降低ESL的形狀和結構，比如LW逆轉型電容、三端電容。

去耦電容的有效使用方法：其他注意事項

■Q較高的陶瓷電容
當Q值高時，電阻在特定的窄帶會變得非常低。當Q值低時，電阻雖然不會極度下降，但可以在較寬的頻段內降低。

■熱風焊盤等的PCB圖形
旨在提高散熱性的熱風焊盤等的PCB圖形，圖形的電感分量會增加，會使諧振頻率向低頻端行動，所以有時可能無法獲得理想的雜訊消除效果。

■探討對策時的電容試裝
增加小容量電容以降低高頻雜訊時，要基於“盡可能使小容量電容靠近噪音源”的理論，以儘量接近實際修改的配置進行探討。探討時如果和修改後的配置不同，電阻也會不同，很可能無法獲得評估時的效果。

■電容的電容量變化率
雜訊對策用的電容的電容量變化率較大時，諧振頻率的波動會變大，目標消減頻段會產生變化或波動，有時很難找到理想的雜訊對策。尤其是需要在窄頻段大幅消除雜訊時，需要格外注意。

■電容的溫度特性
電容的特性會受溫度影響，因此，在明顯的高溫、低溫、較大溫度變化的條件/環境下使用的應用，需要採用溫度特性優異的電容。

關於各項的詳細介紹，請點選連結查看原文。下一篇文章將開始介紹使用電感降低雜訊的相關內容。

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這之前作為“使用電感的降噪對策”，介紹了“電感和鐵氧體磁珠”、“共模濾波器”，作為注意事項，介紹了“串擾和GND線反彈雜訊”。本文將按照與“使用電容的降噪對策”相同的方式進行總結。

使用電感的降噪對策總結

1. 使用電感的降噪對策

• ・僅用電容無法充分消除雜訊時，可考慮使用電感。
• ・降噪對策中使用的電感大致有兩種。
   ①線圈型電感：組成濾波器。
   ②鐵氧體磁珠：將雜訊轉換為熱。
  

2. 電感和鐵氧體磁珠的電阻特性

• ・雖然鐵氧體磁珠被歸類為電感，但其頻率－電阻特性與普通電感不同。
• ・鐵氧體磁珠與普通電感相比，具有電阻分量R較大、Q值較低的特性，因此可利用該特性消除雜訊。
• ・普通的電感可容許較大的直流疊加電流，只要在其範圍內，電阻不怎麼受直流電流的影響。
• ・請注意，鐵氧體磁珠對於直流電流容易飽和，飽和會導致電感值下降，諧振點向高頻段轉移，濾波特性產生變化。
  

3. 使用線圈型電感的降噪對策：組成濾波器

• ・普通電感構成的濾波器，可選電感值的範圍較寬。
• ・使用電感的Π型濾波器，在低頻段，因電感和電容而發揮低通濾波器的作用。
• ・到了高頻段，由於電感會表現為電容、電容會表現為電感，從而π型濾波器起到高通濾波器的作用，因此無法獲得雜訊消除效果。
  

4. 使用鐵氧體磁珠的降噪對策：將雜訊轉換為熱

• ・鐵氧體磁珠的Q值較低，因此在較寬頻率範圍內具有有效的降噪效果。
• ・鐵氧體磁珠在低頻段基本上發揮低通濾波器的作用，在這個頻段，對於直流電流容易飽和，因此使用這種電感值下降的鐵氧體磁珠很難消除目標頻段的雜訊。
• ・當電抗下降且越過與電阻分量的交叉點時，鐵氧體磁珠發揮電阻的作用，可將雜訊轉換為熱。
• ・使用了鐵氧體磁珠的濾波器，不僅可將雜訊旁路消除，還可將雜訊轉換為熱，因此有望實現優異的雜訊消除性能。
• ・發揮電阻功能且將雜訊轉換為熱，是與使用繞組型電感的濾波器之間的巨大差異。
• ・在更高頻段，則與繞組型電感相同，發揮高通濾波器的作用。
  

5. 共模濾波器

• ・從嚴格意義上講，共模濾波器並不是電感器，但在降噪對策中它是重要的磁性器件。
• ・共模濾波器的結構是兩個繞組繞在一個磁芯上，相當於兩個電感組合。
• ・共模濾波器是利用自感作用來阻止共模電流通過（斬波），從而消除共模雜訊。
• ・共模電流不流通、差模電流流通。
  

6. 使用共模濾波器的降噪對策

• ・作為開關電源的輸入濾波器使用時，要使用差模電阻較大的分裂繞組結構的共模濾波器。
• ・這種濾波器一般作為電源線用共模濾波器銷售。
• ・雖然其差模雜訊消除效果也值得期待，但是由於幾百k～幾MHz左右的差模電阻非常低，因此一般與π型濾波器等差模雜訊用的濾波器並用。
  

7. 串擾相關的注意事項

• ・有些PCB板佈線佈局，會因串擾而導致濾波效果下降。
• ・串擾是因電路板佈線間的雜散電容和互感，雜訊與相鄰的其他電路板佈線耦合。
• ・濾波器後的佈線與含有濾波器前的雜訊的佈線相鄰時，雜訊因串擾而耦合，濾波效果下降。
• ・作為對策，採用不與含有雜訊的線路相鄰的佈局，可將雜訊耦合控制在最低限度內。
  

                               
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8. GND線反彈雜訊相關的注意事項

• ・在使用了Π型濾波器的電感前後所配置的電容，其GND的設置方法可能會帶來地線反彈雜訊。
• ・作為對策，為了避免雜訊直接傳播，可利用Via的寄生電感的手法，經由過孔（Via）與GND平面連接，改善效果較好。
  

                               
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