电压转换电路中的滤波电容应用技巧
日期：2008-5-13 22:34:39 来源：本站整理
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在消费类电子产品系统中，体积越来越小，器件摆放越来越密，模拟、数字部分已很难通过布局有效分开，系统设计工程师往往在电源网络中使用很多电容，衰减高频数字噪声，期望能“净化”电源，减少对模拟电路的干扰。
在电压调整器中，在输入、输出端通常都各有一只电容，跨接在输入、输出管脚和地(GND)之间。输入电容的主要作用是滤除交流噪声，抑制输入端的电压变化。而输出电容的作用，除了构成反馈环路的一部分之外(增加一个额外的零点，当然不可避免的也要带来一个极点，提高环路的相位裕量)，还可以抑制由于负载电流或者输入电压瞬变引起的输出电压变化。从某种角度来说，滤除交流噪声与抑制电压突变在本质上是一回事，那就是去除交流信号。
电容的特性
不同介质种类的电容，其自身特性相差甚远。在描述电容的特性之前，我们需要了解以下几个参数：
电阻—符号R，是指通过导体的直流电压与电流之比，单位为欧姆。
电抗—符号X，是交流电路中由电感和电容引起的阻抗部分，包括感抗(XL)和容抗(XC)，单位为欧姆。
阻抗—符号Z，是一个复合参数，实部为电阻，虚部为电抗，单位为欧姆，所以阻抗也可以表示为：Z = R + jX。
电导—符号G，是指通过导体的直流电流与电压之比，电阻的倒数，单位为西门子。
电纳—符号B，是导纳的虚数部分，包括容纳(BC)和感纳(BL)，单位为西门子。
导纳—符号Y，是阻抗Z的倒数，也是一个复合参数，实部为电导，虚部为电纳，单位为西门子，也可以表示为：Y = G + jB
导纳Y通常表示的是器件并联的情况，而阻抗Z表示的则是器件串联的情况，见图1。
其中，
图1：阻抗与导纳的表示方法。
所以对于串联的器件组合，如果θ>0℃，则说明器件两端有感性，越接近90℃，感性越强，当θ=90℃时，为纯感性器件。同样θ< 0℃，则说明器件有容性，越接近-90℃，容性越强，当θ=-90℃时，为纯容性器件。常见的几种类型的电容特点如表1所示，
表1：不同种类电容的优缺点。
现实中并没有纯电阻，也没有纯电容或电感，都是这几种理想器件的组合。实际的电解电容的等效电路可以表示如图2所示。其中：Ra—介质吸收引起的电阻，Ca—介质吸收引起的电容，RLE—漏电引起的电阻，RL—引线引起的电阻，LL—引线引起的电感。实际的多层陶瓷电容的等效电路则可以如3表示，对于用作滤波作用的电容，当然不希望有ESL，即使在高频也保持良好的容性，即θ等于或接近-90度。
图2：电解电容的等效电路。
电容特性的实际测量
因此，我们只需要测量出电容引线两端的串联电阻(RS)、串联电容(CS)、串联电感(LS)、阻抗(Z)以及夹角(θ)在对应频率下的值，即可以较为全面地评估电容的特性。下面以Rubycon YXF系列电解电容为例，使用安捷伦的4284A Precision LCR Meter测试，得到表2中的数据。
表2：Rubycon YXF系列电解电容测试数据。
从以上数据看出，50V/10uF电解电容，当f>800k，失去容性，呈现弱感性。表3则是Taiyo yuden贴片多层陶瓷电容16V/1uF、16V/0.1uF的测试数据。所以以上两颗电容在1MHz频率以内，都保持较高得Q值，呈现出良好得容性特征。
![表3：多层陶瓷电容测试数据[测试条件：Vbias=0V，Vac=1.0V]。](/eWebEdit/uploadfile/20080513222717120.jpg "点击在新窗口查看原始图片")
表3：多层陶瓷电容测试数据[测试条件：Vbias=0V，Vac=1.0V]。
电容的并联效果
既然实际的电容特性与理想电容有一定的差距，那么接在输入、输出端的滤波电容到底产生了什么样的作用呢？有的应用手册上给出，使用两颗电容并联到GND，一颗容值较大的电解电容，另一颗是容值较小的陶瓷电容，比如C1=10uF，C2=0.1uF，为了研究并联的交流特性，加入一只电阻R0，等效成如下电路，交流特性的影响是由两只电容引起的，如图4所示。
图3：多层陶瓷电容的等效电路。
图4：两只电容并联的交流等效电路。
其中R0为信号源内阻，R1为电容C1的等效串联电阻，R2为电容C2的等效串联电阻。传输函数可以表示成下式，
从上式不难看出，系统包括两个极点，两个零点。
，当满足条件C1>>C2，R1>>R2时，极点可以表达成下式，
以上面50V/10uF电解电容，和16V/1uF陶瓷电容的数据作为依据，对上述器件进行如下赋值，ESR取f=100kHz的值。R0 = 1Ω，C1 = 8.21uF，C2 = 0.997uF，R1 = 774mΩ，R2 = 190mΩ，图3网络的频率特性如图4所示，
从上图看出，在紧接着第一个极点P1之后，出现了第一个零点Z1，它是由R1、C1形成的，如果没有电容C2，AC曲线将保持水平，不再有衰减。正是由于C2的存在，使得增益在通过第二个极点P2之后继续衰减，直至第二个零点Z2。因此要使两只电容并联的增益衰减更多，可以将Z2外移，也就是使电容C2以及R2远小于C1、R1。
这是假定电容C、ESR在所有频率下都是定值的条件下，用MATHCAD计算出的理想曲线。实际上，根据上表中的数据告诉我们，C、ESR会随着频率而变化，而且在高频时会出现ESL，考虑到这些因素，得到的曲线如图5所示。图6是使用网络分析仪(Agilent 4395A)得到的实际频响曲线。
图5：两只电容并联的幅度\相位频率特性。
图6：根据实测数据计算出的频率特性。
在频率小于100kHz时，图5与图6几乎没有差别，大约在f>700kHz，由于ESL的作用，增益上翘。当满足条件R1×C1 = R2×C2时，根据上式系统可以简化成一个极点，一个零点。现实中满足这种条件的有两种情况，两只电容C1、C2完全相同，意味着类型、容值、ESR和频率特性等一样。
图7：网络分析测到的频率特性。
容值与ESR成反比，对于同一类型的电容，实际上也基本满足这个规律。此时其零、极点变为
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在消费类电子产品系统中，体积越来越小，器件摆放越来越密，模拟、数字部分已很难通过布局有效分开，系统设计工程师往往在电源网络中使用很多电容，衰减高频数字噪声，期望能“净化”电源，减少对模拟电路的干扰。
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在电压调整器中，在输入、输出端通常都各有一只电容，跨接在输入、输出管脚和地(GND)之间。输入电容的主要作用是滤除交流噪声，抑制输入端的电压变化。而输出电容的作用，除了构成反馈环路的一部分之外(增加一个额外的零点，当然不可避免的也要带来一个极点，提高环路的相位裕量)，还可以抑制由于负载电流或者输入电压瞬变引起的输出电压变化。从某种角度来说，滤除交流噪声与抑制电压突变在本质上是一回事，那就是去除交流信号。
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电容的特性
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不同介质种类的电容，其自身特性相差甚远。在描述电容的特性之前，我们需要了解以下几个参数：
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电阻—符号R，是指通过导体的直流电压与电流之比，单位为欧姆。
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电抗—符号X，是交流电路中由电感和电容引起的阻抗部分，包括感抗(XL)和容抗(XC)，单位为欧姆。
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阻抗—符号Z，是一个复合参数，实部为电阻，虚部为电抗，单位为欧姆，所以阻抗也可以表示为：Z = R + jX。
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电导—符号G，是指通过导体的直流电流与电压之比，电阻的倒数，单位为西门子。
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电纳—符号B，是导纳的虚数部分，包括容纳(BC)和感纳(BL)，单位为西门子。
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导纳—符号Y，是阻抗Z的倒数，也是一个复合参数，实部为电导，虚部为电纳，单位为西门子，也可以表示为：Y = G + jB
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导纳Y通常表示的是器件并联的情况，而阻抗Z表示的则是器件串联的情况，见图1。
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其中，
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图1：阻抗与导纳的表示方法。
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所以对于串联的器件组合，如果θ>0℃，则说明器件两端有感性，越接近90℃，感性越强，当θ=90℃时，为纯感性器件。同样θ< 0℃，则说明器件有容性，越接近-90℃，容性越强，当θ=-90℃时，为纯容性器件。常见的几种类型的电容特点如表1所示，
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表1：不同种类电容的优缺点。
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现实中并没有纯电阻，也没有纯电容或电感，都是这几种理想器件的组合。实际的电解电容的等效电路可以表示如图2所示。其中：Ra—介质吸收引起的电阻，Ca—介质吸收引起的电容，RLE—漏电引起的电阻，RL—引线引起的电阻，LL—引线引起的电感。实际的多层陶瓷电容的等效电路则可以如3表示，对于用作滤波作用的电容，当然不希望有ESL，即使在高频也保持良好的容性，即θ等于或接近-90度。
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图2：电解电容的等效电路。
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电容特性的实际测量
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因此，我们只需要测量出电容引线两端的串联电阻(RS)、串联电容(CS)、串联电感(LS)、阻抗(Z)以及夹角(θ)在对应频率下的值，即可以较为全面地评估电容的特性。下面以Rubycon YXF系列电解电容为例，使用安捷伦的4284A Precision LCR Meter测试，得到表2中的数据。
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表2：Rubycon YXF系列电解电容测试数据。
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从以上数据看出，50V/10uF电解电容，当f>800k，失去容性，呈现弱感性。表3则是Taiyo yuden贴片多层陶瓷电容16V/1uF、16V/0.1uF的测试数据。所以以上两颗电容在1MHz频率以内，都保持较高得Q值，呈现出良好得容性特征。
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表3：多层陶瓷电容测试数据[测试条件：Vbias=0V，Vac=1.0V]。
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电容的并联效果
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既然实际的电容特性与理想电容有一定的差距，那么接在输入、输出端的滤波电容到底产生了什么样的作用呢？有的应用手册上给出，使用两颗电容并联到GND，一颗容值较大的电解电容，另一颗是容值较小的陶瓷电容，比如C1=10uF，C2=0.1uF，为了研究并联的交流特性，加入一只电阻R0，等效成如下电路，交流特性的影响是由两只电容引起的，如图4所示。
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图3：多层陶瓷电容的等效电路。
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图4：两只电容并联的交流等效电路。
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其中R0为信号源内阻，R1为电容C1的等效串联电阻，R2为电容C2的等效串联电阻。传输函数可以表示成下式，
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从上式不难看出，系统包括两个极点，两个零点。
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，当满足条件C1>>C2，R1>>R2时，极点可以表达成下式，
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以上面50V/10uF电解电容，和16V/1uF陶瓷电容的数据作为依据，对上述器件进行如下赋值，ESR取f=100kHz的值。R0 = 1Ω，C1 = 8.21uF，C2 = 0.997uF，R1 = 774mΩ，R2 = 190mΩ，图3网络的频率特性如图4所示，
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从上图看出，在紧接着第一个极点P1之后，出现了第一个零点Z1，它是由R1、C1形成的，如果没有电容C2，AC曲线将保持水平，不再有衰减。正是由于C2的存在，使得增益在通过第二个极点P2之后继续衰减，直至第二个零点Z2。因此要使两只电容并联的增益衰减更多，可以将Z2外移，也就是使电容C2以及R2远小于C1、R1。
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这是假定电容C、ESR在所有频率下都是定值的条件下，用MATHCAD计算出的理想曲线。实际上，根据上表中的数据告诉我们，C、ESR会随着频率而变化，而且在高频时会出现ESL，考虑到这些因素，得到的曲线如图5所示。图6是使用网络分析仪(Agilent 4395A)得到的实际频响曲线。
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图6：根据实测数据计算出的频率特性。
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在频率小于100kHz时，图5与图6几乎没有差别，大约在f>700kHz，由于ESL的作用，增益上翘。当满足条件R1×C1 = R2×C2时，根据上式系统可以简化成一个极点，一个零点。现实中满足这种条件的有两种情况，两只电容C1、C2完全相同，意味着类型、容值、ESR和频率特性等一样。
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容值与ESR成反比，对于同一类型的电容，实际上也基本满足这个规律。此时其零、极点变为
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