滤波电容的原理到底是什么？？？





电容只通过高频信号，所以能去噪。 

 



为什么大电容用于低频通路,小电容用于高频电路

说到电容，各种各样的叫法就会让人头晕目眩，旁路电容，去耦电容，滤波电容等等，其实无论如何称呼，它的原理都是一样的，即利用对交流信号呈现低阻抗的特性，这一点可以通过电容的等效阻抗公式看出来：Xcap=1/2лfC，工作频率越高，电容值越大则电容的阻抗越小.。在电路中，如果电容起的主要作用是给交流信号提供低阻抗的通路，就称为旁路电容；如果主要是为了增加电源和地的交流耦合，减少交流信号对电源的影响，就可以称为去耦电容；如果用于滤波电路中，那么又可以称为滤波电容；除此以外，对于直流电压，电容器还可作为电路储能，利用冲放电起到电池的作用。


 


滤波电容容值与所滤噪声频率的关系

技术上去耦电容不是一般称的滤波电容，滤波电容指电源系统用的，去藕电容则是分布在器件附近或子电路处主要用于对付器件自身或外源性噪声的特殊滤波电容，故有特称——去耦电容，去耦指“去除（噪声）耦合”之意。 

来自群友的疑难杂症（加杨老师V信：PCB206 可入群）：滤波电容为什么要靠近放置，储能电容为什么均匀放置？去耦半径是什么？滤波电容如何打孔？

Q1:  芯片管脚的滤波电容为什么要靠近放置？

杨老师回复：容值最小的电容，有最高的谐振频率，去耦半径最小，因此放在最靠近芯片的位置。另外从自谐振频率点分析来看：我们知道自谐振频率点是区分电容器是容性还是感性的分界点，低于谐振频率时电容表现为电容特性，高于谐振频率是电容表现为电感特性，只有在自谐振频率点附近电容阻抗较低，因此，实际去耦电容都有一定的工作频率范围，只有在其自谐振频率点附近频段内，电容才具有很好的去耦作用，如果放置太远，超过其去耦半径，便会失去去耦作用。

 

Q2，储能电容为什么建议均匀摆放在芯片的四周？

杨老师回复：通常芯片在设计的时候考虑到了电源和地引脚的排列位置，一般都均匀分布在芯片的四个区域。因此，电压扰动在芯片的四周都存在，去耦也必须对整个芯片所在区域均匀去耦。如果没有均匀摆放，由于存在去耦半径的问题，那么就不能对芯片下部的电压扰动很好的去耦。

 

Q3,如何理解去偶半径？

杨老师回复：一方面可以从公式入手去理解，比较复杂，不易理解



还有一种理解就是考察噪声源和电容补偿电流之间的相位关系。当芯片对电流的需求发生变化时，会在电源平面的一个很小的局部区域内产生电压扰动，电容要补偿这一电流（或电压），就必须先感知到这个电压扰动。信号在介质中传播需要一定的时间，因此从发生局部电压扰动到电容感知到这一扰动之间有一个时间延迟。为了能有效传递补偿能量，应使噪声源和补偿电流的相位差尽可能的小，最好是同相位的。距离越近，相位差越小，补偿能量传递越多。

总之，去耦半径是可以计算的，在这个范围内就能起到作用啦。

 

Q4, 滤波电容如何打孔？ 



评：引出很长的线然后连接过孔，引入较大的寄生电感，尽量避免

 



评：寄生电感减少，回流路径也比较短，可以接受



评：寄生电感小，回流路径短，常规设计推荐这样处理。



评：最优打孔方式，但是盘中孔设计不常规，加工成本增加，可靠性降低。

原创作者：杨老师   

 

滤波电容指南

滤波电容在开关电源中起着非常重要的作用，如何正确选择滤波电容，尤其是输出滤波电容的选择则是每个工程技术人员都十分关心的问题。

在电源滤波电路上，可以看到各种各样不同容值的电容，比如：100uF、10uF、100nF、10nF等，那么这些参数是如何确定的?

在50Hz工频电路中，使用的是普通电解电容器，其脉动电压频率仅为100Hz，充放电时间是毫秒数量级。

为获得更小的脉动系数，所需的电容量高达数十万μF，因此普通低频铝电解电容器的目标是以提高电容量为主，电容器的电容量、损耗角正切值以及漏电流是鉴别其优劣的主要参数。而开关电源中的输出滤波电解电容器，其锯齿波电压频率高达数十kHz，甚至是数十MHz，这时电容量并不是其主要指标。

衡量高频铝电解电容优劣的标准是“阻抗-频率”特性，要求在开关电源的工作频率内要有较低的等效阻抗，同时对于半导体器件工作时产生的高频尖峰信号具有良好的滤波作用。

普通的低频电解电容器在10kHz左右便开始呈现感性，无法满足开关电源的使用要求。

而开关电源专用的高频铝电解电容器有四个端子，正极铝片的两端分别引出作为电容器的正极，负极铝片的两端也分别引出作为负极。电流从四端电容的一个正端流入，经过电容内部，再从另一个正端流向负载；从负载返回的电流也从电容的一个负端流入，再从另一个负端流向电源负端。

由于四端电容具有良好的高频特性，为减小电压的脉动分量以及抑制开关尖峰噪声提供了极为有利的手段。高频铝电解电容器还有多芯的形式，即将铝箔分成较短的若干段，用多引出片并联连接以减小容抗中的阻抗成份。

并且采用低电阻率的材料作为引出端子，提高了电容器承受大电流的能力。

数字电路要运行稳定可靠，电源一定要”干净“，并且能量补充一定要及时，也就是滤波去耦一定要好。

什么是滤波去耦，简单的说就是在芯片不需要电流的时候存储能量，在你需要电流的时候我又能及时的补充能量。

不要说这个职责不是DCDC、LDO的吗？对，在低频的时候它们可以搞定，但高速的数字系统就不一样了。

先来看看电容，电容的作用简单的说就是存储电荷，我们都知道在电源中要加电容滤波，在每个芯片的电源脚放置一个0.1uF的电容去耦。

等等，怎么我看到有些板子芯片的电源脚旁边的电容是0.1uF的或者0.01uF的，有什么讲究吗？

要搞懂这个道道就要了解电容的实际特性，理想的电容它只是一个电荷的存储器，即C。

而实际制造出来的电容却不是那么简单的，分析电源完整性的时候我们常用的电容模型如下图所示。


图中ESR是电容的串联等效电阻，ESL是电容的串联等效电感，C才是真正的理想电容。
ESR和ESL是由电容的制造工艺和材料决定的，没法消除，那这两个东西对电路有什么影响。

ESR影响电源的纹波，ESL影响电容的滤波频率特性。

我们知道电容的容抗Zc=1/ωC，电感的感抗Zl=ωL,(ω=2πf)，实际电容的复阻抗为Z=ESR+jωL-1/jωC=ESR+j2πfL-1/j2πfC。

可见当频率很低的时候是电容起作用，而频率高到一定的时候电感的作用就不可忽视了，再高的时候电感就起主导作用了，电容就失去滤波的作用了。

所以记住，高频的时候电容就不是单纯的电容了，实际电容的滤波曲线如下图所示：
上面说了电容的等效串联电感是电容的制造工艺和材料决定的，实际的贴片陶瓷电容的ESL从零点几nH到几个nH，封装越小ESL就越小。

从上面电容的滤波曲线上我们还看出并不是平坦的，它像一个’V’，也就是说有选频特性，在时候我们希望它是越平越好(前级的板级滤波)，而有时候希望它越越尖越好(滤波或陷波)。

影响这个特性的是电容的品质因素Q，Q=1/ωCESR，ESR越大，Q就越小，曲线就越平坦，反之ESR越小，Q就越大，曲线就越尖。

通常钽电容和铝电解有比较小的ESL，而ESR大，所以钽电容和铝电解具有很宽的有效频率范围，非常适合前级的板级滤波。

也就是在DCDC或者LDO的输入级常常用较大容量的钽电容来滤波。

而在靠近芯片的地方放一些10uF和0.1uF的电容来去耦，陶瓷电容有很低的ESR。说了那么多，那到底我们在靠近芯片的管脚处放置0.1uF还是0.01uF，下面列出来给大家参考：

频率范围hz	电容取值

DC-100K	10uF以上的钽电容或铝电解

100K-10M	100nF(0.1uF)陶瓷电容

10M-100M	10nF(0.01uF)陶瓷电容

100M	1nF(0.001uF)陶瓷电容

所以，以后不要见到什么都放0.1uF的电容，有些高速系统中这些0.1uF的电容根本就起不了作用。
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