電容器的實(shí)際特性

 

觀察旁路電容器運(yùn)行 
 
(1) 將噪聲電流旁路到地
 某些由電容器構(gòu)成的降噪濾波器使用旁路電容器。如圖1所示，旁路電容通過(guò)將噪聲電流旁路到地來(lái)消除噪聲。

 
圖1 旁路電容器運(yùn)行
 (2) 阻抗越小，噪聲降低越大
 旁路電容器的阻抗越小，電流越容易流動(dòng) (圖1中的 (1) ) 。這意味著將消除更多的噪聲。換言之，插損增加。
例如，如果比較第6-4節(jié)中引入的1,000pF電容器的插損和阻抗，則圖形的形狀將大致相同，如圖2所示。這是因?yàn)樵谧杩篂?5Ω或更低的頻率處出現(xiàn)3dB的插損，而在高于該范圍的頻率中阻抗越低，插損將越大。

圖2 電容器阻抗與插損之間的關(guān)系
 (3) 電容器的降噪效果以其阻抗表示
 因此，在衰減范圍內(nèi)，電容器的降噪效果可以用阻抗表示。為使解釋簡(jiǎn)單化，本討論將僅考慮阻抗。
您可能會(huì)注意到電容器的阻抗與頻率和靜電電容成反比。正因?yàn)槿绱?，在繪制圖形時(shí)，阻抗形成簡(jiǎn)單的向下傾斜線，如圖2 (a) 的理論值所示。這些理論值將在之后的圖表中被稱(chēng)為“理想電容”，并且將用于比較目的。
 (4) 實(shí)際電容器阻抗測(cè)量的示例
 圖3顯示從幾個(gè)電容器測(cè)量的實(shí)際阻抗的示例。圖中顯示一個(gè)薄膜電容器，一些MLCC和一個(gè)電解電容器。
MLCC和薄膜電容器看起來(lái)相似，因?yàn)樗鼈兌夹纬纱笾碌腣形曲線。電解電容器在底部形成圓的U形曲線。這表明圖2中1,000pF電容器所示趨勢(shì)是所有電容器共有的。下面說(shuō)明形成這種形狀的原因。
不過(guò)注意，此處使用的測(cè)量值僅是一些示例用以證明趨勢(shì)，并且該值可能因產(chǎn)品而異。

圖3 電容器頻率特性的示例
 
(5) 靜電電容越大，阻抗越小
 下面描述給定類(lèi)型的電容器靜電電容發(fā)生變化的情況。
圖4顯示當(dāng)MLCC (1608尺寸SMD) 的靜電電容以每個(gè)步幅10的系數(shù) (標(biāo)稱(chēng)值) 從1000pF變化到1μF時(shí)發(fā)生的情況。為了進(jìn)行比較，用虛線表示理想電容器的阻抗。
如圖所示，電容器的阻抗形成左側(cè)部分非常接近理想電容器的V形曲線，并且各靜電電容的線按順序整齊排列。在這些頻率下，電容器可以看作是簡(jiǎn)單的靜電電容元件。

圖4 各容量時(shí)MLCC (1608尺寸) 阻抗的示例
 電容器等效電路 
 (1) 高頻處的阻抗可能集中為大約相同的值
 仔細(xì)觀察圖4中的圖表，會(huì)發(fā)現(xiàn)所顯示V形曲線的右側(cè) (高頻側(cè)) 集中在大致相同的位置處，而與電容器無(wú)關(guān)。
圖5是在圖4的圖表上重疊一個(gè)0.5nH電感的阻抗 (虛線) ，以進(jìn)行比較。奇怪的是，電容器的測(cè)量阻抗 (V形曲線的右側(cè)) 大致集中在這條線上。換句話說(shuō)，此處測(cè)量的電容器 (MLCC) 在高頻下顯示大約0.5nH的電感。

 
圖5 電容器阻抗與ESL之間的關(guān)系
 
(2) 考慮ESL的等效電路
 
該電感稱(chēng)為電容器的ESL (等效串聯(lián)電感) 。為了在等效電路中表示采用ESL的電容器，ESL串聯(lián)連接到靜電電容 (Cap) ，如圖6所示。

圖6 僅考慮ESL的電容器等效電路
 請(qǐng)注意，雖然圖5中使用0.5nH的ESL，該值將根據(jù)電容器而變化。在圖5中使用相同尺寸的MLCC，所以ESL大約為相同值。使用不同的電容器將產(chǎn)生明顯不同的值。
(3) 自諧振
 如前所述，電容器阻抗通常形成V形特性曲線，因此最小點(diǎn)在曲線的中心部分。這種性質(zhì)被稱(chēng)為電容器的自諧振，可以解釋為在圖6的等效電路中Cap和ESL之間發(fā)生的串聯(lián)諧振。最小點(diǎn)的頻率被稱(chēng)為SRF (自諧振頻率) 。
順便提及，使用圖6所示等效電路計(jì)算阻抗，會(huì)導(dǎo)致在自諧振頻率處形成零阻抗。換句話說(shuō)，實(shí)際電容器可以在該頻率下表現(xiàn)出比理想電容器更小的阻抗。
 
(4) ESR
當(dāng)然，實(shí)際電容器將表現(xiàn)出較小的損耗，因此即使在自諧振頻率下，阻抗也不會(huì)完全為零。為了表示這種損耗，作為電阻值的ESR (等效串聯(lián)電阻) 通常包括在電容器等效電路中，如圖7所示。

圖7 考慮ESL和ESR的電容器等效電路
 
ESR越小，損耗越小，電容器的性能越好。圖8例舉了具有不同ESR的MLCC的阻抗值。這表明諧振電路中使用的溫度補(bǔ)償電容器的自諧振頻率阻抗比通用的高介電常數(shù)電容器的自諧振頻率阻抗小得多。這是因?yàn)閾碛袦囟妊a(bǔ)償特性的電容器具有較低的ESR。

請(qǐng)注意，當(dāng)電容器自諧振時(shí)，其阻抗表示電容器的ESR值。這是因?yàn)椋趫D7中，Cap和ESL的阻抗相互抵消，最終變?yōu)榱恪?/span>

 

圖8 帶不同ESR的電容器的示例

 (5) 等效電路證明的阻抗屬性

 圖9 (a) 總結(jié)了到目前為止已經(jīng)涵蓋的內(nèi)容。

在較低頻率處的阻抗大致與理想電容器的阻抗相同。這是因?yàn)殪o電電容阻抗在總阻抗值中所占比例很大，因此ESL和ESR的影響可以忽略。在這種狀態(tài)下的電容器被稱(chēng)為“電容”，并且其阻抗與頻率和靜電電容成反比。

在較高頻率處的阻抗大致與ESL阻抗相同。這是因?yàn)樵撟杩沟谋嚷试谳^高頻率下較大。在此狀態(tài)下，電容器被稱(chēng)為“電感”，并且阻抗與頻率成正比。

自諧振頻率是電容器從電容切換到電感的區(qū)域，并且也是阻抗的最小點(diǎn)。在這種狀態(tài)下的阻抗等于ESR。

作為示例，圖9 (b) 顯示以插入等效電路中的0.1uF MLCC的代表值計(jì)算阻抗的結(jié)果。如 (a) 所示，總阻抗值遵循每個(gè)元件的阻抗。

圖9 電容器阻抗頻率特性

 

(6) 等效電路的可靠性如何？

 圖10顯示了與圖9 (b) 的示例計(jì)算重疊的1608尺寸MLCC的實(shí)際測(cè)量值。該圖表明，即使使用相對(duì)近似的常數(shù)進(jìn)行計(jì)算，LCR系列等效電路 (如圖7所示) 與測(cè)量值緊密匹配，可以再現(xiàn)實(shí)際特性。

注意，為了更準(zhǔn)確地再現(xiàn)實(shí)際特性，ESR和ESL將需要根據(jù)頻率而改變。此外，在此使用MLCC用于解釋目的，如果調(diào)整ESL和ESR值，也適用于其它類(lèi)型的電容器。

圖10 計(jì)算值和測(cè)量值的比較

 

(7) 什么導(dǎo)致ESL和ESR？

 如前所示，電容器的阻抗不僅受靜電電容的影響，而且在高頻下受ESL和ESR的影響。這些被稱(chēng)為“寄生元件”。在許多情況下，這些元件將降低電容器的降噪效果。應(yīng)采取什么措施來(lái)減少寄生元件？

如圖11所示，

MLCC由外部和內(nèi)部電極和介電體組成。ESR背后的主要因素是這些外部和內(nèi)部電極的電阻及介電體損耗。此外，當(dāng)電流流到外部和內(nèi)部電極時(shí)，會(huì)在電容器周?chē)纬纱艌?chǎng)。這種磁場(chǎng)是ESL背后的主要因素。

雖然降低這些寄生元件的影響并非易事，但在后面的章節(jié)中將介紹用作EMC措施的具有降低的ESL的電容器。當(dāng)電容器安裝在印刷板上時(shí)，也出現(xiàn)這些寄生元件 (這將在后面討論) 。必須小心謹(jǐn)慎地安裝電容器，以減少ESL。