如果用實(shí)際電容模型來(lái)仿真效果是怎樣的？

從學(xué)電子開始，就免不了要跟電容打交道。只要涉及濾波、去耦、旁路之類的，就必不可少會(huì)用到電容。

記得剛工作的時(shí)候，參考老師傅的5V-Buck電路，輸出端就是經(jīng)典的10uF+1uF+100nF的大小容值組合。

當(dāng)時(shí)問(wèn)帶班的師傅，為啥這樣組合？他給出的解釋是：大電容在穩(wěn)壓的同時(shí)，還濾除低頻干擾，小電容濾除高頻干擾。

然后我又百度找了一下資料，大部分也是這樣的回復(fù)：小電容濾掉頻率比較高的信號(hào)，通過(guò)的信號(hào)的頻率就是在這兩個(gè)電容濾掉之間那一段。

大電容是電解電容，有極性，對(duì)交流電不起作用，對(duì)不平滑的直流電濾波，使之趨于平滑。小電容是無(wú)極電容，是濾除交流高頻雜波。

這些看起來(lái)都是很有道理的，畢竟從電容的容抗特性來(lái)看，這種解釋是很有對(duì)的。旁路就是在信號(hào)源出增加一個(gè)低阻抗路徑，將瞬態(tài)能量分量到地的做法。

但是，隨著工作經(jīng)驗(yàn)的累積，我覺(jué)得這種簡(jiǎn)單的大小電容容值的并聯(lián)，有時(shí)候不僅起不到濾波的作用，反而會(huì)帶來(lái)一些負(fù)面的影響。

尤其是系統(tǒng)速度增加時(shí)，適用于與較低的系統(tǒng)速度和較慢的邏輯要求設(shè)計(jì)的電路，使用不同容值的并聯(lián)做法會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，比如增加RFI/EMI的問(wèn)題、降低噪聲容限等等。

因?yàn)殡娙莸膶?shí)際模型是R-L-C的串并聯(lián)組合，基于這種實(shí)際電容模型，就知道電容的阻抗曲線是有諧振點(diǎn)，這在電容的Datasheet的手冊(cè)上面也能獲取。

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既然電容存在諧振點(diǎn)，那么對(duì)于不同容值的電容組合，就容易產(chǎn)生如下圖所示的反諧振。這樣不僅對(duì)濾波沒(méi)有幫助，反而會(huì)帶來(lái)壞處。

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所以，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，還是盡可能選用一個(gè)電容值。即使需要多個(gè)不同容值的電容并聯(lián)，也需要根據(jù)電容的諧振特性選擇，從而匹配濾除噪聲的頻率特性。

電容在EMI的調(diào)試中經(jīng)常使用，下圖是調(diào)試一個(gè)5V-Buck電路中測(cè)試到的頻譜圖，頻譜儀的底噪是38dbuV左右的。

很明顯，在280MHz附近有一個(gè)尖峰59dbuV，噪聲的幅值是1mV，需要濾除。一般的做法是，在電源的輸入線對(duì)地并聯(lián)一個(gè)3.3nF左右的電容，對(duì)于f=280MHz， 其阻抗Zc=1/(2*pai*f*c)=1.7Ω，同時(shí)參考電容的阻抗曲線，選擇諧振點(diǎn)在280MHz附件，形成一個(gè)低阻抗通路，所以應(yīng)該是有效果的。

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通過(guò)增加了一個(gè)3.3nF電容，280MHz附近的尖峰41dbuV，噪聲的幅值是0.1mV對(duì)于f=280MHz的幅值從59dbuV降低到41dbuV，降低了18dbuV，這個(gè)說(shuō)明改進(jìn)是有效果的。

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電容濾除noise signal，一般就是RC低通濾波器的形式實(shí)現(xiàn)，但是在選型3.3nF的電容時(shí)候，并沒(méi)有電阻R，我的理解是，噪聲源的內(nèi)阻充當(dāng)了電阻R，如果噪聲源的內(nèi)阻很小，選型3.3nF的電容也不起作用。 下圖是以理想電容模型仿真，可以看到，當(dāng)內(nèi)阻很小的時(shí)候，即使濾波電容的容抗很小，但是和內(nèi)阻分壓，還是會(huì)造成濾波效果差。

所以，在EMI改進(jìn)的時(shí)候，即使選擇電容的諧振點(diǎn)是濾除噪聲的頻帶，其濾除效果依然不怎么好。這個(gè)時(shí)候，應(yīng)該要對(duì)噪聲源的源內(nèi)阻做一些分析。

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上圖是使用理想電容模型做分析，那么如果用實(shí)際電容模型來(lái)仿真，效果又是怎樣的？

如下圖所示，顯然，從仿真結(jié)果來(lái)看，實(shí)際電容模型和理想電容模型差距是巨大的，有相同點(diǎn)，也有不同點(diǎn)。

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相同點(diǎn)：噪聲源的源內(nèi)阻越大，幅頻曲線衰減越多。

不同點(diǎn)：幅頻曲線不是以20dB/10dec持續(xù)滾降。這也就是說(shuō)實(shí)際電容模型不是單極點(diǎn)模型。這是由于電容存在ESR，在高頻會(huì)提供一個(gè)零點(diǎn)，所以在高頻出，幅頻曲線不會(huì)再滾降的。

在這個(gè)EMI的改進(jìn)過(guò)程中，很巧的是加一個(gè)3.3nF電容，就將280MHz的噪聲幅值降低了，可能這個(gè)噪聲源的源阻抗有10Ω左右，因此可以在280MHz有一個(gè)20dB的衰減。

需要說(shuō)明一點(diǎn)，關(guān)于噪聲源的源阻抗是自己的一個(gè)理解，也不一定正確。對(duì)此，歡迎大家在文末留言，一起交流討論。

由于280MHz的噪聲幅值是41dbuV，還沒(méi)有達(dá)到底噪的38dbuV，還有一個(gè)細(xì)小的凸包。更換一個(gè)不同阻抗曲線的電容，應(yīng)該可以得到改進(jìn)。

但是，在電源線加一個(gè)電感，組成LC二階濾波器，以40dB/10dec的滾降斜率，濾波效果會(huì)更好的：

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通過(guò)仿真的結(jié)果來(lái)看，確實(shí)在280MHz的頻率出，幅頻曲線是-45dB，相對(duì)RC的一階濾波器的-24dB，提高了20dB的衰減。

這個(gè)看來(lái)在EMI的改進(jìn)中，僅僅依靠電容完全濾除噪聲有些難度，所以需要加上共模電感，磁珠之類的磁性元件才有效果的。

EMI的改進(jìn)需要使用頻譜儀邊測(cè)試邊分析，找出是電場(chǎng)干擾還是磁場(chǎng)干擾，相應(yīng)的添加元件，才能見(jiàn)效快的。







審核編輯：劉清