滤波电容在电压调整电路中的应用分析

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1、电源滤波 电容 电压调整器 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

2、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

3、。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

4、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RubyconYXF系列电解电容为例，使用安捷伦的4284

5、APrecisionLCRMeter测试，得到表2中的数据。表2：RubyconYXF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Taiyoyuden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]。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

6、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

7、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，

8、根据上表中