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电源去耦电容的并联谐振峰

2024-07-04 15:35
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我们回顾一下,1uF电容的阻抗曲线

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我们现在来看2个1uF的电容并联后是什么结果:

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相同容值的电容并联后,阻抗曲线整体向下平移(蓝色的),包括呈现感性的部分;

再来看一下10个1uF电容并联后阻抗曲线:

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10个1uF电容并联后,阻抗曲线进一步向下平移(粉色的),也就是电容并联的越多,阻抗就越小;

下面看一下单个10uF的电容阻抗曲线(蓝色的):

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蓝色的为10uF,再分别来看2个10uF和10个10uF电容并联阻抗特性:

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阻抗曲线也是呈现整体向下平移;

所以对于同一种容值的电容并联,阻抗相当于整体向下平移,此时并没有反谐振峰,下面看一下,1uF和10uF并联后阻抗特性:

继续,1uF和10uF并联后阻抗特性:

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并联后阻抗曲线出现了反谐振峰,来看一下反谐振峰是怎么形成的:

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可以看到,电容并联后的阻抗曲线有两个凹坑,频点就是1uF和10uF的自谐振频点,但是当10uF电容在自谐振频点以后开始表现为感性,而此时1uF的电容还表现为容性,相当于电感和电容并联,因此产生了并联谐振峰,可以看到并联谐振峰的频点就在10uF感性和1uF容性的交点处;

所以当不同容值电容并联时,要格外注意这个反谐振峰的值,很有可能导致PDN阻抗在某些频点超标;

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图中就有两处反谐振超标,因此要特别注意,下面来看一下这个反谐振的值和哪些因素有关:

再来回看一下10uF和1uF并联的曲线:

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我们把1uF换成2.2uF,也就是10uF和2.2uF电容并联阻抗如下:

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当10uF和2.2uF并联时,反谐振峰变小,进一步缩小容值差,将2.2uF变成4.7uF:

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反谐振峰几乎没有了,所以反谐振峰和并联电容的容值差有关,容值差越小,并联反谐振峰越小;(这是第一个影响并联谐振峰的因素)

我们继续探究,电容除了容值还有ESR、ESL两个值,先来看ESL,在1uF和10uF电容并联时,电感值为0.6nH,阻抗曲线如下(就是上边看的那个):

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如果将电感值改为1nH,再来看并联曲线:

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反谐振峰变大,继续加大电感,变为2nH,阻抗曲线如下:

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反谐振峰进一步增大,因此要格外注意减小电容的安装电感,这个以后专门说;

因此电容并联反谐振峰的大小还和电容的电感有关,电感越大,反谐振峰越大(这是影响并联谐振峰的第二个因素);

继续来看ESR的影响,原始电容的ESR为5mohm,将上述2nH电感时的电容ESR改为1mohm,再来看并联阻抗曲线:

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可以看到,并联谐振峰变大了,将ESR改为20mohm,并联阻抗曲线如下:

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此时反谐振峰比ESR=5mohm时要小;

因此得出第三个影响电容并联谐振峰的因素,电容的ESR越小,并联谐振峰越大;

关于第三点有一个问题,就是,我们希望ESR小一点,这样可以减小电容的凹坑的值,这一点是有利于减小PDN阻抗的,但是要注意,此时并联反谐振峰可能也很大,因此,要特别注意减小容值差,减小电感值以免电容的并联谐振峰过大。

以上就是电容的并联谐振峰特性,以及影响电容并联谐振峰大小的因素,了解了这些,我们就可以在电容选值、PCB电感优化等地方找到理论依据,有的放矢。


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