电容并联谐振
首先,无论是电源模块或是某一个滤波电容器,都不可能提供从低频到100MHz全频段的低阻抗。
我们从去耦电容模型的阻抗曲线可以清楚看到,电容器在低频和高频时(相对于自谐振频率点)都会呈现出高阻抗特性。
我们要设计实现电源分配网络阻抗曲线的策略就是:选择合适容值和个数的电容器,实现单板电源网络阻抗低于目标阻抗。
1. 如下图所示,多个相同电容并联时产生的阻抗等效于RLC电路的行为:
等效电容:Cn=n*C;
等效电阻:ESRn=(1/n)*ESR;
等效电感:ESLn=(1/n)*ESL。
我们看到此时自谐正频率点保持不变,阻抗随频率的曲线趋势保持不变,形成整体电容的阻抗曲线下移的效果。
2. 如下图所示,当两个不同电容器容值并联时,在各自谐振频率处有相同低阻抗下冲,在谐振频率之间有一个新的特性(阻抗的峰值),称为并联谐振峰值,发生在并联谐振频率(PRF)处。
我们看到两个不同容值的电容并联出现了一个奇怪的现象:并联谐振峰值。
按理来说两个并联的阻抗至少比单个阻抗要更低(阻抗并联效应),但并联谐振峰值比两个电容正常阻抗值还要高。
为什么会出现这个奇怪的谐振尖峰呢?
我们再来回顾一下电容模型的阻抗曲线:在自谐振频率点为界,电容在自谐振点左侧(低频)呈现容性,而在自谐振点的右侧(高频)呈现感性。大家再重新理解一遍:在自谐振点的右侧,该电容其实应该看成是一个电感。
理解了这个点后,那么我们就可以来理解并联谐振峰值了,如下图是电感模型的阻抗曲线,看起来是不是跟并联谐振非常眼熟?的确,并联谐振峰值就是:大容值电容的寄生电感(ESL)和小容值电容并联组合起来的一个模型。
并联谐振频率是电容并联组合的一个重要特性,它给出了阻抗曲线的峰值位置,电容器较少时会制约单板电源分配网络的性能。
并联谐振频率的值很难准确计算,它取决于:大电容C1的ESL1,小电容C2的容值和它们的ESR。
如果两个电容的自谐振频率值相差很远,那么并联谐振频率值可以粗略的有下式决定:
PRF ≈ (1/2)π*1/√(C2*ESL1)
= 160MHz/√(C2*ESL1)
并联谐振阻抗峰值粗略计算:
Zpeak ≈ (L1/C2)*(1/(ESR1+ESR2))。
那如何有效降低并联谐振峰值阻抗呢?
1. 我们从并联谐振阻抗峰值计算公式上可得到:
1, 减小较大电容器的等效串联电感;如下图所示。
2, 增大较小电容器的容值。
3, 增大两个电容器的等效串联电阻。
2. 并联谐振阻抗峰值也可以通过添加一个自谐振频率介于它们之间的电容加以降低:
1, 自谐振频率和并联谐振频率一致。
2, 自谐振频率值取为处于其他两个电容器自谐振频率值之间的某个值。
如下图所示,当每个电容器ESL相同时,设计添加一个容值为其它两个电容容值的几何平均的电容,以得到最低的阻抗峰值:C3=√(C1*C2)
从上述分析我们可以得到结论:
1. 当电源平面上滤波电容较少时,电容容值相差越大时,其并联谐振峰值阻抗就越大。
1, 可以通过减小大电容的ESL,增大小电容的容值C解决。
2, 或则可以通过增加一个几何平均容值电容来解决。
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