如何使用電容從后級應對開關電源噪聲
電容的作用非常廣泛，在開關電源上不僅作為前后儲能電容，降低輸出紋波，還可以作為單一降噪元件，處理開關電源的噪聲問題。
01 電容的頻率特性
利用電容器來降低噪聲時，需要了解電容器的特性，圖1為電容器的阻抗-頻率特性圖。
圖1 電容的阻抗-頻率特性
電容器中不僅存在電容量C，還存在電阻分量ESR、電感分量ESL、與電容并聯存在的EPR（等效并聯電阻）。C和ESL形成串聯諧振電路，電容器的阻抗原則上呈上圖所示的V字型頻率特性。諧振頻率SRF之前呈容性特性，阻抗下降，諧振頻率點的阻抗取決于ESR。過了諧振頻率之后，阻抗特性變為感性，阻抗隨著頻率升高而升高，感性阻抗特性取決于ESL。諧振頻率可通過以下公式計算：
從該公式可以看出，容值越小、ESL越低的電容器，諧振頻率越高，應用于噪聲消除，則容值越小、ESL越低的電容器，頻率越高，阻抗越低，不需要的噪聲（交流分量）更容易經由信號、電源線旁路傳導到GND，因此可以很好地消除高頻噪聲。
圖2為不同容值的電容器的阻抗頻率特性，在容性區域，容值越大，阻抗越低，另外容值越小，諧振頻率點越高，在感性區域阻抗越低。簡單來說，阻抗低的電容器具有出色的噪聲消除能力，不同的電容器其阻抗的頻率特性也不同，所以這一特性是非常重要的確認要點。選擇降噪用電容器時，請根據阻抗的頻率特性而非容值來選型，為了在高頻率范圍內使用低阻抗的電容器，選擇低ESR和ESL的電容器變得很重要。
圖2 不同電容的頻率特性
02 高Q值陶瓷電容器
電容器具有被稱為“Q”的特性，圖3表示電容Q值和頻率-阻抗特性之間的關系。
圖3 電容器的Q值與頻率－阻抗特性的關系
當Q值高時，tanδ小，阻抗在特定的窄帶會變得非常低；當Q值低時，tanδ大，阻抗雖然不會極度下降，但可以在很寬的頻段內降低，這種特性可能有助于符合某些EMC標準。例如，使用電容量變化較大的電容器時，如果Q值很高，低阻抗覆蓋頻段就比較窄，則可能存在無法消除目標頻率噪聲的情況，此時還有一種通過使用低Q電容器（低阻抗覆蓋頻段就比較寬）來抑制波動影響的手法。
03 使用電容降低噪聲效果示例
噪聲和其特性多種多樣，處理噪聲的方法也多種多樣，在這里主要談開關電源相關的噪聲，DC-DC電壓中噪聲電壓水平較低，而頻率較高，多數會根據其電路和電壓電平，用LCR來降低噪聲。圖4和圖6是通過添加電容器來降低DC/DC轉換器輸出電壓噪聲的示例：
圖4 輸出電壓波形，Co=22uF
圖4的波形是輸出端LC濾波器的電容為22μF時，在約200MHz的頻率范圍存在180mVp-p左右的噪聲（振鈴、反射）。
圖5 LC無源濾波器
圖6的波形是為了降低這種噪聲而添加了2200pF電容器后的結果，可見當增加2200pF的電容器后，噪聲衰減至100mV左右。
圖6 輸出電壓波形，Co=22uF
下面的圖7為所添加2200pF電容器的阻抗頻率特性：
圖7 2200pF/50V的阻抗特性
如圖7所示，之所以選擇2200pF的電容，是因為阻抗在160MHz附近最低，利用這種阻抗特性，可降低噪聲幅度約200MHz。
像這樣通過添加電容器來降低目標噪聲頻率的阻抗時，需要把握噪聲（振鈴、反射）的頻率，并選擇具有相應阻抗的頻率特性的電容器，從而降低噪聲幅度。
04 使用電容降低噪聲要點
有效地使用去耦電容器，第一個要點是用多個電容器進行去耦，使用多個電容器時，使用相同容值的電容器時和交織使用不同容值的電容器時，效果是不同的。
1.使用多個容值相同的電容器
圖8是使用1個22μF的電容時（藍色）、增加1個變為2個時（紅色）、再增加1個變為3個（紫色）時的頻率特性。
圖8 使用多個容值相同的電容器時
如圖8所示，當增加容值相同的電容器后，阻抗在整個頻率范圍均向低的方向轉變，也就是說阻抗越來越低。這一點可通過思考并聯連接容值相同的電容時，到諧振點的容性特性、取決于ESR的諧振點阻抗、諧振點以后的ESL影響的感性特性來理解。并聯的電容容值是相加的，所以3個電容為66μF，容性區域的阻抗下降。
諧振點的阻抗是3個電容的ESR并聯，假設這些電容的ESR全部相同，則ESR減少至1/3，阻抗也下降。諧振點以后的感性區域的ESL也是并聯的，假設3個電容的ESL全部相同，則ESL減少至1/3，阻抗也下降。由此可知，通過使用多個相同容值的電容器，可在整個頻通過增加容值更小的電容，可降低高頻段的阻抗。
2.使用多個容值不同的電容器
圖9 使用多個容值不同的電容器時
相對于一個22μF電容的頻率特性來說，0.1μF和0.01μF的特性是合成后的特性（紅色虛線）。需要注意的是，有些頻率點產生反諧振，阻抗反而增高，EMI惡化，反諧振發生于容性特性和感性特性的交越點。所增加電容器的電容量，一般需要根據目標降噪頻率進行選型。另外，在這里給出的頻率特性波形圖是理想的波形圖，并未考慮PCB板的布局布線等引起的寄生分量，在實際使用中，需要考慮寄生分量的影響。
3.降低去耦電容器的ESL
第二個要點是降低電容的ESL，但由于無法改變單個產品的ESL本身，因此即使容值相同，也要使用ESL小的電容器。通過降低ESL，可改善高頻特性，并可更有效地降低高頻噪聲。
即使容值相同也要使用尺寸較小的電容器，對于積層陶瓷電容器MLCC，會有容值相同但尺寸不同的幾個封裝。ESL取決于引腳部位的結構，尺寸較小的電容器基本上引腳部位也較小，通常ESL較小。
圖10 使用多個容值不同的電容器時
如圖10是容值相同、大小不同的電容的頻率特性示例，更小的1005尺寸的諧振頻率更高，在之后感性區域的頻率范圍阻抗較低。電容的諧振頻率是基于以下公式的：
從公式中可以看出，只要容值相同，ESL越低諧振頻率越高，另外感性區域的阻抗特性取決于ESL。
如圖11所示，積層陶瓷電容器中，有些型號采用的是旨在降低ESL的形狀和結構。
圖11 普通的電容器和旨在降低ESL的電容器
LW型逆轉型電容通過反轉LW、擴大電極寬度并縮短長度來降低ESL的，三端電容（饋通電容）的ESR/ESL更低，具有優異的高頻特性，三端電容與常規電容相比，高頻時具有20-30dB左右的衰減能力。
如圖11所示，普通電容器的電極在短邊側，而LW逆轉型的電極則相反，在長邊側。由于L和W相反，故稱LW逆轉型，是通過增加電極的寬度來降低ESL的類型。
三端電容是為了改善普通電容器兩個引腳的頻率特性而優化了結構的電容器。三端電容是將雙引腳電容的一個引腳（電極）的另一端向外伸出作為直通引腳，將另一個引腳作為接地引腳。在上圖中，輸入輸出電極相當于兩端伸出的直通引腳，左右的電極當然是導通的。這種輸入輸出電極（直通引腳）和接地電極之間存在電介質，起到電容的作用。
將輸入輸出電極串聯插入電源或信號線（將輸入輸出電極的一端連接輸入端，另一端連接輸出端），GND電極接地。這樣，由于輸入輸出電極的ESL不包括在接地端，因此接地的阻抗變得非常低。另外輸入輸出電極的ESL通過在噪聲路徑直接插入，有利于降低噪聲（增加插入損耗），通過在長邊側成對配置接地電極，可抑制ESL；再采用并聯的方式，可使ESL減半。基于這樣的結構，三端電容不僅具有非常低的ESL，而且可保持低ESR，與相同容值相同尺寸的雙引腳型電容相比，可顯著改善高頻特性，在超高速數字信號或者射頻信號中使用更加廣泛。
