滤波电容的选择

滤波电容的选择

  • 理论部分
    • 参考案例:一
    • 参考案例:二
    • 其他案例

理论部分

滤波电容主要看容值和耐压值

电容尺寸=容值x耐压值。
电容价格=容值x耐压值。
电解和钽电容耐压值要x2倍使用,陶瓷电容至少x1.5倍使用

电容选择的逻辑是频率越高,电容越小

器件 频率/ 滤波电容值
音频 100~1KHz 10uF~100uF以上
音频 20~100Hz 100uF~220uF
电机等 1K~100KHz 1uF~10uF
普通IC,MCU等 1M~10MHz 100nF
CPU 10M~100MHz 10nF
射频RF 900M~2.4GHz 12pF~33pF

单颗电容,不足以过滤掉所有的杂波。uF级的电容,对10MHz以上的噪声几乎无能为力。

功耗/电流越大,电容越大,电流和容值的经验值如下:

器件 功耗 滤波电容值
传感器 <20mA 1uF~4.7uF
MCU输入 20~200mA 2.2uF~22uF
手机电池输入 200mA-2A 22uF~220uF
50W音频功放 2-5A 220uF以上

电容的滤波,实际上也是一个储能和释放的过程。所以电流大的场合,就需要用大的电容。

在输入端放置的电容一般叫滤波电容,意思是滤除来自输入端的干扰电压波动。在输出端放置的一般叫去耦电容,意思是去除本芯片对其他芯片电压波动干扰的电容。

所以IC基本原则是每一组管脚配置一组电容。

听起来挺麻烦,不过芯片厂家都会提供参考设计的。对于CPU类的几GHz高速处理器,供电部分的需要单独做仿真,根据仿真结果调整走线长度宽度和外部去耦电容的位置、数量、容值等。

电容的黄金搭配:
对于非CPU类型的设备,如果没有参考设计,可以采用“大+中+小”这个黄金组合。
10uF+100nF+100pF,数字电路的万金油配置。
细节上,根据上面讲的电流和频率的表格,再做细节调整,准不会出现太大的问题。

参考案例:一

某个产品的运放电源输入端测得的纹波。
滤波电容的选择_第1张图片
这里看到有2.86kHz的杂波,峰峰值时43.2mV。这个纹波对于模数转换电路来说有点大了,因为ADC如果是0~4.096V 12bit的位宽,那每10mV的误差就会影响最终测得的数字信号电压。(4.096V/2^12=0.001V)
而43.2mV的纹波大概能造成±4单位的偏差,最好能把纹波降到10mV以内,这样可以忽略电源纹波带来的影响,否则要在软件层面加一次算术平均滤波(可以用其他滤波方法,只是算术平均滤波比较简单,纹波是周期性信号,必然可以用算术平均法滤除)。但是用了算术平均滤波后会对原来的特征峰值也进行平均,也就是有效信号也被平均了,当然还有其他滤波方法比如插值滤波等,我没有研究过,可能会有用。

参考案例:二

滤波电容的选择_第2张图片
上图是电池给射频功放供电的输入端。大的电容用来稳压,中的电容过滤数字信号产生的杂波,小的电容用来过滤射频信号产生的耦合干扰。

其他案例

高通骁龙6系芯片的主供电输入如下图:
滤波电容的选择_第3张图片
20V输入端,2个很大,2个大的,1个中的。因为没有强射频干扰,并且GHz级别的射频对DC-DC的输入也没啥影响,所以没有pF级别的电容。

主供电输出如下图:
滤波电容的选择_第4张图片
上面智能音响的供电输出端,20V转4.2V,当作是电池电压,给CPU供电。骁龙6系原本是手机芯片,所以把DC电压转换成电池电压。3个大的电容,2个中的电容。

锂电池供电如下图:
滤波电容的选择_第5张图片
锂电池供电、带移动通信网络的设备,电源输出典型配置。一个很大,一个大,一个很小。不带移动通信的设备,33pF可以不要,因为33pF主要滤除射频RF带来的高频干扰。

大电流、大变化设备供电输入
滤波电容的选择_第6张图片
滤波电容的选择_第7张图片
25W音频功放主供电输入端。低频瞬间功率比中高频大,所以低频采用390uF x2,中高频采用220uF x2,每个都带有一个100nF滤除数字部分的噪声。

中小电流设备供电输入
滤波电容的选择_第8张图片
高通QCA9379双频WIFI供电部分。每一路3.3V电源都有独立的去耦电容和独立的滤波磁珠,电源星形布局,尽可能的减少电源之间的串扰,加强了功放电源、数字电源和模拟电源之间的隔离度。

电流大的地方,电容用的也大一些,电容小的地方,电容用的也小。数字电源部分,采用了100nF电容滤除数字噪声。

过滤高频干扰
滤波电容的选择_第9张图片
手机小功率音频输出,1.5W小功率D类功放。
熟悉音频功放的朋友都知道,D类功放输出的是方波,毛刺巨大。所以加了1nF滤除毛刺。并增加了33pF滤除手机最容易产生通话电流音的GSM频段干扰。

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