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去耦電容的作用,為什么一個電容也會諧振?

更新時間:2022-08-04      點擊次數(shù):777

首先要解釋一下耦合,耦合就是互相影響,正如變壓器的原邊會影響副邊,同時副邊也會影響原邊,這就讓人想起金庸小說里的七傷拳,傷人傷己。

那么去耦,就是減少耦合,減少互相影響。其實這里的去耦電容跟濾波電容的意思是一樣的,相關(guān)文章推薦:EMC防護中的濾波電容。但是為什么要另起一個名字呢?

筆者認為,如果耦合的反義詞是濾波的話,往往會讓人摸不著頭腦,所以需要再起一個名詞叫去耦,這樣剛好滿足人們語言表達的需求。

去耦電容的作用

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如上圖所示,一個LDO的輸入和輸出各加了兩個電容,分別是104和10uF。

顯然電容是具有濾波的作用,但是這跟模電上的RC、LC、RLC濾波不一樣,只有一個C,這樣也能濾波的,濾波的頻率叫自諧振頻率。

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上圖中,NPO電容的自諧振頻率呈V字形,而Z5V電容則呈U字形,說明了NPO電容的濾波特性更好,同時,也最容易濾掉虛線對應(yīng)的頻率,就是自諧振頻率。

此外,電容工作在虛線左邊的頻率范圍內(nèi),呈電容的特性,而虛線右邊,則呈電感的特性,下面有解釋。

為什么一個電容也會諧振?

由電容的等效電路。

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由于電容的制造工藝、材料等原因,實際的電容應(yīng)該等效成上圖所示,但是用在頻率較低的電路上,Rs、Rp、Ls影響非常小,所以只把它當成一個Cp,而把其它的忽略掉。

如果電容工作在頻率較高的電路上,就不能把Rs、Rp、Ls忽略了,這時利用上圖的等效電路和拉氏變換,可以推導出電容的自諧振頻率。而且,如果工作的頻率超過電容的自諧振頻率,那么感抗wLs會遠大于容抗1/(wCp),這時,感抗起主導作用,容抗的影響非常小,可以忽略容抗時,電容會呈現(xiàn)感性。

這就讓人想起了共振,如微波爐中的微波頻率和水分子發(fā)生共振,說明了水分子也有自諧振頻率。

諧振跟共振,其實是一個意思。

如何計算電容的自諧振頻率?

在實際應(yīng)用中,我們不可能對每個電容都測一下分布參數(shù),弄等效電路的。一般是用經(jīng)驗公式:自諧振頻率f0≈1/C。

怎樣知道用多大的去耦電容?

可以用示波器測出LDO輸入和輸出的干擾信號的頻率,再用公式C≈1/f0算出容值。一般要求沒那么嚴格,直接加10uF和104,可以適用于一般的應(yīng)用場合。

為什么要加一大一小兩個電容?

由公式f0≈1/C可以得出,小電容濾高頻干擾;大電容濾低頻干擾。

為什么小電容要靠近芯片,而大電容則可以遠一點?

小電容濾高頻干擾,這個高頻干擾不一定是由芯片外部輸入進來的,也可以由芯片內(nèi)部產(chǎn)生的。

CPU、FPGA等,內(nèi)部若干個MOS管像開關(guān)一樣在導通、截止,這就形成了很多方波信號,再用傅立葉級數(shù)把它展開,就會產(chǎn)生很多奇次諧波。這些諧波的頻率很高,屬于高頻干擾。如果高頻干擾在整塊電路板上傳播,那就相當危險了,應(yīng)該盡早的把它濾掉,所以要盡量靠近芯片。而低頻干擾的影響力沒那么大,可以遠一點。

此外,大電容還充當了電池的作用,正如,關(guān)電視機的時候,電源指示燈要過一會才滅,就是因為這些大電容在給它放電。

去耦電容在多遠的距離會失去濾波的作用?

這涉及到去耦半徑的計算,有興趣的讀者,可以參考《信號完整性分析》。

為什么有些芯片的電源管腳上會放很多去耦電容?

怎樣知道該用多少個電容?

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上圖就是有名的zedboard上面,ZYNQ附近的去耦電容,像個八卦陣一樣,非常優(yōu)雅的設(shè)計。

但是這里卻不像我們用單片機、或者LDO那樣,加104和10uF那么簡單。

上面也說到,CPU、FPGA,內(nèi)部的MOS管不斷地導通、截止,其實這就是動態(tài)負載,那么由歐姆定律,U=IR,可以得出,當R突然變小,U不變(先假設(shè)電壓不變),I突然變得很大(想象一下,上億個MOS管在同時工作,盡管一個MOS管吸取的電流非常小,但是量多了,總體吸取的電流是非常大的)。

再由功率守恒,P=UI,當P一定的時候(電源芯片提供的功率是不變的),I變大,U變小。這說明了,在電源芯片提供的功率范圍內(nèi),電源電壓是不變的;但是,超出了電源芯片的功率的話,電源電壓是隨著負載而變的,這也是正好解釋了過載現(xiàn)象,只是這里是一個瞬間的過程。

所以才需要加很多去耦電容,去抑制電源電壓的瞬間變化(也叫暫態(tài))。加多少個電容,是由瞬態(tài)功率決定的。


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