电压调整电路中的滤波电容应用分析

1、电压调整电路中的滤波电容应用分析在消费类血子产品系统中,体枳越來越小,器件摆放越來越密.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 网络中使用很名电容,哀减周频数字噪声，期里能“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，跨按在输入、输出管脚和地(gnd)z间。输入电祥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i个额外的零点，当然不可避免的也要带來一个极点, 提高环路的相位裕最)，还可以抑制山于负载电流或者输入电压瞬变引起的输出电压变化c从某种角度來说，滤除交流噪声与抑制电压

2、突 变在木质上是一回事，那就是去除交流信号。电容的特性不同介质种类的电容，其自身特性和差甚远。在描述电容的特性之前，我们需要了解以下儿个参数：电阻_符号r.足指通过导体的宜流电压与电流z比，单位为欧姆。电抗一符号x.是交流电路中山电感和电容引起的阻抗部分，包括感抗(x和容抗(xc)，单位为欧姆°阻抗一符号乙 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z比，电阻的倒数，单位为西门子。电纳一符号b是导纳的燥数部分，包括容纳(be)和感纳(b)单位为西门予。导纳一符号丫，是阻抗z的倒数，也是一个复

3、合参数，实部为电导，虚部为电纳，单位为西门子，也可以汲示为：y = g + jb导纳丫通常表示的足器件并联的悄况，而阻抗z表示的则是器件串联的悄况，见图1。其中.z = r+jx = ir2+x2y = g + jb = ylg2 +b2xl 二 2尬12tcr一 xc一 bel)f - 一 = tan 6 = c tan 6 = 0所以对于串联的器件组合，如果e>odc,则说明器件两端有感性，越接近90c,感性越强.当e=90cc时，为纯感性器件。同样e<o4c,则说明器件有容性，越接近-90-c,容性越强，当e=-90-c时，为纯容性器件。常见的儿种类型的电容特点如表1所示，温

4、度系数大; 强值退羞大;稳定性高；3 温度系数低;绝缘电阻大;q值大，d小2esr 小;a 体积小；卩体积大；3 价格偏高；“ 高温特性差;锂电容3wvw*价格低；a温度系数小;耐压低；a稳定性高；卩价格高；卩 高频特性好;铝电解电容卩睿值太；卩价格便宜；"温度系数大；3漏电流大；”高频特性差；9表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，祁足这儿种理想器件的组合。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一引线引起的电感。实际的藝层陶 瓷电容的等效电路则可以

5、如3表示，对于川作滤波作用的电容，当然不希望有esl.即使住商频也保持良好的容性.即。等于或接近90 度。电容特性的实际测号因此.我们只需要测虽岀电容引线两端的串联电阻(rs).串联址容(cs)、串联电感(ls).阻抗(z)以及夹角在对应频率下的值,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。5ot/10uf 和5ov/2. 2ufqfreq (khz)*rs( a)cs(uf)*ls(mh)*z(c20(deg)*rs(q»cs (妙ls(g)*z(0r9 (

6、deg)«0. 24729.046门p175.96*-88.42792a2 226ap715.67*-89.35q0293 1428.932p89.08q-87.985. 70-12. 216qp359.4*-89.0"0.3p2.45548.869p59.85q87.65q4.77q2.202p240. 53-88.830.51.823q8. 783p36.28q-87.12p3722.193pp145. 26-88.52q021.448-8. 763p22.58-86.5卩2.86-'2.172&91.45丿-88.12l*31. 295卩8 740&q

7、uot;p18.23*>-85.93p252a2.17p4>73.43卩-88.02221.047卩8.635"4>9.咖-83.481. 752.14“p37.14*-87. 223q0.952。8.560；633"-81.1301.48<j2.132*324.9386 525卩0.810 卩8423.83，-7723卩1. 252j2.112p卩15.125*-85. 228门0. 785卩828卩2i2-71.371122.092卩9.577农-83.29 卩10 a0 7738. 22255卩-66.921.0522.082 卩卩7. 72-

8、82.07720q0 742q7.9831.269-51.98q0. 741p2.04240o-76.33q畑0 7337. 83q&1.023-41.70.898<2.027a4>2tb、-70.妙50q0 7227.60qp0.855&-2930.863q2心p1.812-61.4280a0 712q739门p072-20.3q0821.972q4>1. 313-50.倍1000. 7127. 28207砂-1685心0.8321.957qp1.163-44. 3“200-0.6997. 27320. 7侏-8.820.808-1.925pp0.906j-

9、27.12q300e0.69317. 75pp0. 7知-5.妙0.79741.941p4>0.842-1895a500q0.687"12. 2834>0.69w202卩0.785p2. 114p4»0798，-10.妙900討0.674门-11.89*367nh0.672175卩0. 772卩3.04 2卩p0.773a-4.86<10000.662-3.8536.8nh«30.6妙4098，0. 765卩5. 55卩0. 763p-2.1"表2； rubycon yxf系列电解电容橱试数据。从以上数据看出，50v/10uf电解电容，

10、当f>800k,失去容性，呈现册感性。表3则是taiyo yuden贴片名层陶瓷电容16v/1uf. 16v/0.1uf 的测试数据。所以以上两颗电容在1mhz频率以内.郁保持较高得q值，呈现出良好得容性特征。ek316bj105kl-tek212bj1o4ed-tfreq (khz) rs (c ) cs(uf)<ls (mh) *z(q26 (deg)rs(q»cs (国.ls (哪)z(qm0 (deg)*30. 227.35*1.0775a1.486k*-88.98，225.12*107. 28*p14.89 咕-89. l6q0. 2心13.92q1.0729*

11、a745. 5q-88.92116. 2心106.98“p7.459k*-89.13门0. 3p9. 342*1.0697<p498 3a-88.96-78. 58p106.78<p4 98kp-89.12p0. 59566&1.0653-p300.2q-88.96p4742106.53p2.995咕-89.110.8q3.如1.0606,a188.43-88.96q30.13-106. 36<p1.875 咕-89.106-i*32. 75心1.056qq151. 26-88.98-24.05q106. 25p1. 501 咕-89.101-2q1. 29p1.04

12、2"p76.59q-89.0412. 3105.92<p752.9p-89.0863卩0.80p1.032p51.6。-89.12p823卩105.67.p503.08+-89.08q520.431.012p31.4-89. 21p498)105.p302.84*-89.028q0. 25卩1.004卩19.8689 223.11*3105.0。卩189.96”-89.08卩10*30.1%0.99215.98 门89 32q246a104.7q152. 37-89.09卩2090新0. 9848.05-89.421.17*31036>卩77.o5j-89.14330？5

13、8bp0 976542-89.5卩0.73102.6"p51. 53-89. 20350q韻,*0.97wp322-89. 320.38 门101. 2卩p3146门-89. 28卩80"24.6"0. 969订q2.053-89.28。0 212100.11*p19.86&-89. 36门100q20.42 祁0.970*p1.643q-89.220.16399.6rp15.92-89. 39卩200q12,620. 983卩0 809j- 89.0q68. 7"982p&06-89.49300匚9.9521016门a0. 522q-8

14、8.78q39.1m-98.52p5. 383q-89. 56q500q9.3021.142a02妙-87.821&4*99.15qp3. 211p-89.62800q10, 58 叶1.644p0.122-84.27. 2*101. 54p1.959-89.75亠1000-112.822. 747pp00妙-77.3&4. 2衣103.9p1. 53q-89.79p表3：多层陶瓷电容测试数据（测试条件:vbias=ov. vaiovh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、输出瑞的滤波电容到底产生了什么样的作用呢？有的应用手册i:给出，便用两颗电

15、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ihc1 = 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t=四vinrl + (】$丿i 2s丿从上式不难看出.系统包括两个极点，两个零点。zi =2 加?1c1z2r + ch/ r2 + 一i (乜s丿+人()27tr2c2,当满足条件c1»c2. r1»r2时，极点可以表达成下式,pl2 疗(7?o + /?1)c1p2 =2(/?0/?l)+/?2c2以上w 50v/10uf电

16、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取口00khz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，在紧接着笫一个极点p1之后,出现了第一个零点z仁它是由r仁c1形成的，如果没有电容c2ac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,因此耍便两只电容并联的増益 衰减更多，可以将z2外移，也就是使电容c2以及r2远小于c仁r1n 这是假定电容c、esr在所有频率下都是

17、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il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。gan vs freqi 1(?ilf lidfreq(hz)i idphase vs freq100i 1(?freq(hz)图5：两只电容并联的輻度相位频率特性。-25-300.10 5 0 5 0 -1-1-2mp) uko10freque ncy (khz)1001000图6：根据实渊数据计算出的频率待性。在频率小于100khz时，图5与图6儿乎

18、没有差别.大约在f>700kh乙由于esl的作用,増益上翘。当满足条件rxc仁r222时.根据上式系统可以简化成一个极点，-个零点。现实屮满足这种条件的有两种情况，两只电容c1、c2完全相同，意味君类型、容值、esr和频率特性等一样。!7：网络分析测到的频率特性°chi a/r log mag5 db/ ref 6 <jb-17.755 db容值与esr成反比，对于同一类型的电容，实际上也基木满足这个规律。此时其零、极点变为零点->(7?1/7?2)(c1/c2)r极点->1伙1 / 人 2) + /?() (cl / c2) s(re+/“)($实际上此时可

19、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outr2c21.0ufi丄c3 -t0.1uf图8：三只电容并联的交流等效电路。ai+ 1'/r2+ 1 j/(r3+1|k丿i丿i丿从上式不难看出，系统包括三个极点，三个零点。假定上述器件给出值如f，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c仁ro+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r