电压调整电路中的滤波电容应用分析

电压调整电路中的滤波电容应用分析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：电阻一符号R,是指通过导体的直流电压与电流之比，单位为欧姆。电抗一符号X,是交流电路中由电感和电容引起的阻抗部分，包括感抗(XJ和容抗(XC)，单位为欧姆。阻抗一符号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。电导一符号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。电纳一符号B，是导纳的虚数部分，包括容纳(BC)和感纳(Bl)，单位为西门子。导纳一符号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，所以对于串联的器件组合，如果00C，则说明器件两端有感性，越接近90C，感性越强，当0=90C时，为纯感性器件。同样036*2.170-单91.45-88.184521.29 鬧S. 740IS. 23-ss.sa2.522.1?#3Q79.43P-88.01*力1.8. &35 -9. 35-83.4办1.2.14&*37.14卫1.023-41.70 . 3992.027432+ VW50中0, 721T.60Q0.355-29” 30.963P2”如d1,311-61.47900, 712T.3SP卫0,73-20.3*Ja. 34i.p1, 314*-SO. 18100-0.7, 287 -0.75B0.831P1.957P中1,163 - 44.屁20X0, 699-7. 27*p-B.01P0.30 弘1.925p0,906-27.12300*=o.asa-7.75p0. 了知5. 50*0,79?*=1. 941-0. 34-IB. 9550治0. 687:12.2Bh-芒0.69 缶-NO如0. 7852.申0. 79H*=-10.B9-80E0. 574800k,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。EIK31fiBJ105E-TEIK21W104ErM+iFreq(kHz) *R3(0Cs域h0 (deg)*15妙Ls【画*改2B Cdeg) 0,1*2?k351.07? 5-88.98225,12*107. 28*卫14,89 咕-89.150. 2P1诵辭L0729*745.5J-B8.S7Pns,加105. 9告P7,59k-89. IM0,旅9, 342P1, 0S97*4993-89.96-70.50-105. 73P4.98k 住-89,120, 5 :5. sa1.0653300却-80.96-47.40106. 53亠P2.995k-89.110的3. 50a1. 0S0 弘p188.4*-S0.95-30.13-106. 36*PiJsfc-G9.吨22.忖1. 056*d151. 26*-S0.9B3,114105. g1B9.96*-E9. 0810*J0.19*30, S97J15.98-89. 3 2-N佃104. 7152. 3Y*:B9. 09-120“SOnt6目曲3.05-轲.g1.12ng穽77,06甸.隔園材0. 976 -5.41-&9.冋Q*怙102.穽陆曲-B9.卿R叙乩珈-80.34OW31伽-89. 28*=也 909#*2,054-89,20*30+ 21W100. Uh19. SB，-89. 3銅1曲欢”42”Oh1 643-89.24如99.6715.9?-89.39，200匚Q* 9840,日妙-89.39B屁8.06Q-89,49卩3039,盹“0. 522-E9.7&-90.52P5,裁2*-89,韓鼻.30只1.141p0.2W-S7.8-99.1&P3. 212-89.64800-10.胡叶1,644d0.121-S4.B*-1? r加卄101. 54-P1,059P-S9 舟1000P12. Em-2. 747d0.059-77.34 2mC2，R1R2时，极点可以表达成下式,F2 =2(/?0/?l)+/?2C2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 = 1Q , C1 =8.21uF，C2 = 0.997uF，R1 = 774mQ，R2 = 190mQ，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。mpseo1(?iid*Freq(Hz)1(?Phase v$ FreqidFreq(Hz)图5：两只电容并联的幅度相位频率特性。mp) Llrao-25-300.11 Frequen匚y (kHz)ma1 ODO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f700kHz，由于ESL的作用，增益上翘。当满足条件R1xC1 = R2xC2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 C 1 、C 2完全相同，意味着类型、容值、ESR 和频率特性等一样。H115601040200POUER 0R/R phase-17.755 dB疋3 68975 kHzPOUER O dBmIF BU 30 Hz START 100 HZR/R 3 MRGSUP 23.76 secSTOP 10 tlHz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、极点变为零点 -7 一J-!_（R1 / R2 （1 / C 2） $ Re* e 5极点 -Pe （R1/R2）十7?0b（ClC2）r 一（Re+7?0）Ce实际上此时可以等效成1个电容，它的容值为两个电容的并联Ce = C1/C2 , ESR为两个ESR并联Re = R1/R2 。三只电容并联的情况如图 8所示，传输函数可以表示成图8：三只电容并联的交流等效电路。从上式不难看出，系统包括三个极点，三个零点。假定上述器件给出值如下，R0 = 1Q、C1 = 10uF、C2 = 1uF、C3=0.1uF、R1 = 2Q、R2 = 100mQ、R3=50mQ，网络的频率特性如图9,衰减是第一个极点P1开始，到最后一个零点Z3结束。P1是由C1、R0+R1引起的，Z3是由C3、R3引起的。同样类似的情况，当满足R1xC1 = R2xC2 = R3xC3时，仍可以等效成一只电容，其容值为三个电容的并联 Ce = C1/C2/C3，ESR为三个电阻并联Re =R1/R2/R3。对于线性电压调整器，用户只关心输出端的交流噪声。这个噪声只有两个来源，一个是来自输入端，一个则是来自调整器本身。幸运的是，来自 BCD 新一代线性电压调整器能够很好地解决这两个问题。芯片本身出色的 PSRR 性能，可以很好的抑制来自输入端的交流噪声，尤其是在低频部分；而自身的输出噪声很低，几乎可以忽略。比如AP2121 , PSRR为70dB,从DC可以持续到1kHz、10Hz 100kHz的电压源。10-111-40Gam vs FrequencyPhase v$ Frequency图9：三只电容并联计算出的频率响应。本文结论为了实现更好的噪声衰减，当使用多只电容并联时，应选择 ESR 与 C 各不相同的电容，这样可以使衰减曲线从第一个极点开始，一直到最后一个零点结束，容值最大的那只电容决定了衰减的起始频率，容值最小的那只电容决定了衰减的终止频率，并且务必减小引线长度，防止出现ESL。当使用AP2121高PSRR、低噪声线性电压调整器时，只需要使用一颗片式陶瓷电容，推荐值 1uF。