如何使用电容从后级应对开关电源噪声
电容的作用非常广泛，在开关电源上不仅作为前后储能电容，降低输出纹波，还可以作为单一降噪元件，处理开关电源的噪声问题。
01 电容的频率特性
利用电容器来降低噪声时，需要了解电容器的特性，图1为电容器的阻抗-频率特性图。
图1 电容的阻抗-频率特性
电容器中不仅存在电容量C，还存在电阻分量ESR、电感分量ESL、与电容并联存在的EPR（等效并联电阻）。C和ESL形成串联谐振电路，电容器的阻抗原则上呈上图所示的V字型频率特性。谐振频率SRF之前呈容性特性，阻抗下降，谐振频率点的阻抗取决于ESR。过了谐振频率之后，阻抗特性变为感性，阻抗随着频率升高而升高，感性阻抗特性取决于ESL。谐振频率可通过以下公式计算：
从该公式可以看出，容值越小、ESL越低的电容器，谐振频率越高，应用于噪声消除，则容值越小、ESL越低的电容器，频率越高，阻抗越低，不需要的噪声（交流分量）更容易经由信号、电源线旁路传导到GND，因此可以很好地消除高频噪声。
图2为不同容值的电容器的阻抗频率特性，在容性区域，容值越大，阻抗越低，另外容值越小，谐振频率点越高，在感性区域阻抗越低。简单来说，阻抗低的电容器具有出色的噪声消除能力，不同的电容器其阻抗的频率特性也不同，所以这一特性是非常重要的确认要点。选择降噪用电容器时，请根据阻抗的频率特性而非容值来选型，为了在高频率范围内使用低阻抗的电容器，选择低ESR和ESL的电容器变得很重要。
图2 不同电容的频率特性
02 高Q值陶瓷电容器
电容器具有被称为“Q”的特性，图3表示电容Q值和频率-阻抗特性之间的关系。
图3 电容器的Q值与频率－阻抗特性的关系
当Q值高时，tanδ小，阻抗在特定的窄带会变得非常低；当Q值低时，tanδ大，阻抗虽然不会极度下降，但可以在很宽的频段内降低，这种特性可能有助于符合某些EMC标准。例如，使用电容量变化较大的电容器时，如果Q值很高，低阻抗覆盖频段就比较窄，则可能存在无法消除目标频率噪声的情况，此时还有一种通过使用低Q电容器（低阻抗覆盖频段就比较宽）来抑制波动影响的手法。
03 使用电容降低噪声效果示例
噪声和其特性多种多样，处理噪声的方法也多种多样，在这里主要谈开关电源相关的噪声，DC-DC电压中噪声电压水平较低，而频率较高，多数会根据其电路和电压电平，用LCR来降低噪声。图4和图6是通过添加电容器来降低DC/DC转换器输出电压噪声的示例：
图4 输出电压波形，Co=22uF
图4的波形是输出端LC滤波器的电容为22µF时，在约200MHz的频率范围存在180mVp-p左右的噪声（振铃、反射）。
图5 LC无源滤波器
图6的波形是为了降低这种噪声而添加了2200pF电容器后的结果，可见当增加2200pF的电容器后，噪声衰减至100mV左右。
图6 输出电压波形，Co=22uF
下面的图7为所添加2200pF电容器的阻抗频率特性：
图7 2200pF/50V的阻抗特性
如图7所示，之所以选择2200pF的电容，是因为阻抗在160MHz附近最低，利用这种阻抗特性，可降低噪声幅度约200MHz。
像这样通过添加电容器来降低目标噪声频率的阻抗时，需要把握噪声（振铃、反射）的频率，并选择具有相应阻抗的频率特性的电容器，从而降低噪声幅度。
04 使用电容降低噪声要点
有效地使用去耦电容器，第一个要点是用多个电容器进行去耦，使用多个电容器时，使用相同容值的电容器时和交织使用不同容值的电容器时，效果是不同的。
1.使用多个容值相同的电容器
图8是使用1个22µF的电容时（蓝色）、增加1个变为2个时（红色）、再增加1个变为3个（紫色）时的频率特性。
图8 使用多个容值相同的电容器时
如图8所示，当增加容值相同的电容器后，阻抗在整个频率范围均向低的方向转变，也就是说阻抗越来越低。这一点可通过思考并联连接容值相同的电容时，到谐振点的容性特性、取决于ESR的谐振点阻抗、谐振点以后的ESL影响的感性特性来理解。并联的电容容值是相加的，所以3个电容为66µF，容性区域的阻抗下降。
谐振点的阻抗是3个电容的ESR并联，假设这些电容的ESR全部相同，则ESR减少至1/3，阻抗也下降。谐振点以后的感性区域的ESL也是并联的，假设3个电容的ESL全部相同，则ESL减少至1/3，阻抗也下降。由此可知，通过使用多个相同容值的电容器，可在整个频通过增加容值更小的电容，可降低高频段的阻抗。
2.使用多个容值不同的电容器
图9 使用多个容值不同的电容器时
相对于一个22µF电容的频率特性来说，0.1µF和0.01µF的特性是合成后的特性（红色虚线）。需要注意的是，有些频率点产生反谐振，阻抗反而增高，EMI恶化，反谐振发生于容性特性和感性特性的交越点。所增加电容器的电容量，一般需要根据目标降噪频率进行选型。另外，在这里给出的频率特性波形图是理想的波形图，并未考虑PCB板的布局布线等引起的寄生分量，在实际使用中，需要考虑寄生分量的影响。
3.降低去耦电容器的ESL
第二个要点是降低电容的ESL，但由于无法改变单个产品的ESL本身，因此即使容值相同，也要使用ESL小的电容器。通过降低ESL，可改善高频特性，并可更有效地降低高频噪声。
即使容值相同也要使用尺寸较小的电容器，对于积层陶瓷电容器MLCC，会有容值相同但尺寸不同的几个封装。ESL取决于引脚部位的结构，尺寸较小的电容器基本上引脚部位也较小，通常ESL较小。
图10 使用多个容值不同的电容器时
如图10是容值相同、大小不同的电容的频率特性示例，更小的1005尺寸的谐振频率更高，在之后感性区域的频率范围阻抗较低。电容的谐振频率是基于以下公式的：
从公式中可以看出，只要容值相同，ESL越低谐振频率越高，另外感性区域的阻抗特性取决于ESL。
如图11所示，积层陶瓷电容器中，有些型号采用的是旨在降低ESL的形状和结构。
图11 普通的电容器和旨在降低ESL的电容器
LW型逆转型电容通过反转LW、扩大电极宽度并缩短长度来降低ESL的，三端电容（馈通电容）的ESR/ESL更低，具有优异的高频特性，三端电容与常规电容相比，高频时具有20-30dB左右的衰减能力。
如图11所示，普通电容器的电极在短边侧，而LW逆转型的电极则相反，在长边侧。由于L和W相反，故称LW逆转型，是通过增加电极的宽度来降低ESL的类型。
三端电容是为了改善普通电容器两个引脚的频率特性而优化了结构的电容器。三端电容是将双引脚电容的一个引脚（电极）的另一端向外伸出作为直通引脚，将另一个引脚作为接地引脚。在上图中，输入输出电极相当于两端伸出的直通引脚，左右的电极当然是导通的。这种输入输出电极（直通引脚）和接地电极之间存在电介质，起到电容的作用。
将输入输出电极串联插入电源或信号线（将输入输出电极的一端连接输入端，另一端连接输出端），GND电极接地。这样，由于输入输出电极的ESL不包括在接地端，因此接地的阻抗变得非常低。另外输入输出电极的ESL通过在噪声路径直接插入，有利于降低噪声（增加插入损耗），通过在长边侧成对配置接地电极，可抑制ESL；再采用并联的方式，可使ESL减半。基于这样的结构，三端电容不仅具有非常低的ESL，而且可保持低ESR，与相同容值相同尺寸的双引脚型电容相比，可显著改善高频特性，在超高速数字信号或者射频信号中使用更加广泛。
