开关噪声EMC通过添加电容器来降噪

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22 F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。

 

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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。

 

 

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)。