众所周知,电容是各种电路板中最重要的元件之一。它有很多种类和功能,尤其是它的过滤功能。
一、电容器的滤波功能
也就是说,频率f越大,电容器的阻抗z越小。
当频率较低时,电容C因为阻抗z比较大,可以顺利通过有用信号;
当频率较高时,由于阻抗Z,电容C已经非常小,这相当于将高频噪声短路到GND。
二、电容滤波什么时候会失效?
整流中经常使用电容滤波,经常有“大电容滤低频,小电容滤高频”的说法。
以常见的表面贴装MLCC陶瓷电容器为例,等效模型如下:
容量为10nF、封装为0603的X7R陶瓷的型号参数如下:
由于等效模型中既有电容C又有电感L,形成二阶系统,所以存在不稳定性。对于电路回路,会发生谐振,谐振点在以下频率:
下图是共振曲线的示例:
也就是常说的谐振点前有电容,谐振点后就不再是电容了。
三、LC何时使用LC滤波?
如果电感L串联,然后并联形成C,则形成LC滤波:
单个电容C是一阶系统,单个电感L也是一阶系统,幅度上的衰减斜率为-20dB。而在LC构成的二阶系统中,幅度衰减斜率为-40dB,更接近理想的“陡峭”截止频率,即滤波效果更好。
四、PWM什么是PWM频率?
经常提到PWM,比如用20kHz PWM驱动电机。但实际上,这个20kHz只代表PWM的脉冲周期为50us:
那么所谓的20kHz PWM的频点落在频域的什么位置呢?以下公式:
对于阶跃信号,频率f是无限的,因为上升时间tr无限小。当频率较高时,寄生参数不可忽略,会引起许多谐振问题。
从信号的角度来说,陡阶跃信号会有超调和振荡的问题。简单来说,频率f越大,噪声占用的频率越宽,也就是EMC特性越差。
五、原理图如何与PCB匹配
由于工作分解,原理图和PCB分开了,有两组人分工:
例如,原理图上有以下电路:
一个隐含的问题是,PCB上的V1负极和C1负极之间其实有一条线(PCB布局工具软件用的词更准确,Trace,痕迹)。
往往在设计阶段,A-B-C就会关注它。如果EMC有问题,除了在原理图上找电路参数,还需要特别注意C-D,也就是回路。
如果返回路径不平滑,将会导致信号失真:
例如,在EMC测试中,MCU的ADC采集的信号受到干扰。除了原理图上的分析,信号在PCB上高亮显示,然后耐心寻找信号的返回路径是否不通畅:
想象你头脑中对着信号线的回流路径,这是一点点意识流。
六、摘要
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