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[技术交流] 【和你一起聊聊NB-IoT】滤波电容的选择

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发表于 2019-7-5 15:08:47 | 显示全部楼层 |阅读模式
在无线模组应用过程中,电源的稳定性一直是个很重要的问题,为了避免电源波动影响无线模组的正常工作,后面一般用大小两组电容来协同工作,大电容用来稳定输出,众所周知电容两端电压不能突变,因此可以使输出平滑;小电容是用来滤除高频干扰的,使输出电压纯净,电容越小,谐振频率越高,可滤除的干扰频率越高,给无线模组提供的电源环境越纯净。
说到电容有旁路电容,去耦电容,滤波电容等等,其实无论如何称呼,它的原理都是一样的,即利用对交流信号呈现低阻抗的特性,这一点可以通过电容的等效阻抗公式看出来:Xcap=1/2πfC,工作频率越高,电容值越大则电容的阻抗越小。。在电路中,如果电容起的主要作用是给交流信号提供低阻抗的通路,就称为旁路电容;如果主要是为了增加电源和地的交流耦合,减少交流信号对电源的影响,就可以称为去耦电容;如果用于滤波电路中,那么又可以称为滤波电容;除此以外,对于直流电压,电容器还可作为电路储能,利用冲放电起到电池的作用。我们统一把这些应用于高速PCB设计中的电容都称为旁路电容。
电容的本质是通交流,隔直流,理论上说电源滤波用电容越大越好。但由于引线和PCB布线原因,实际上电容是电感和电容的并联电路,(还有电容本身的电阻,有时也不可忽略)这就引入了谐振频率的概念:ω=1/(LC)1/2在谐振频率以下电容呈容性,谐振频率以上电容呈感性。因而一般大电容滤低频波,小电容滤高频波。这也能解释为什么同样容值的STM封装的电容滤波频率比DIP封装更高。
微信图片_20190705103211.jpg
电容谐振频率
不过仅仅是参考而已,具体的使用还得靠实际分析。
更可靠的做法是将一大一小两组电容并联,一般要求相差两个数量级以上,以获得更大的滤波频段。
一般来讲,大电容滤除低频波,小电容滤除高频波。电容值和你要滤除频率的平方成反比。具体电容的选择可以用公式C=4Pi*Pi /(R * f * f )来计算。
理论上理想的电容其阻抗随频率的增加而减少(1/jwc),但由于电容两端引脚的电感效应,这时电容应该看成是一个LC串连谐振电路,自谐振频率即器件的FSR参数,这表示频率大于FSR值时,电容变成了一个电感,如果电容对地滤波,当频率超出FSR后,对干扰的抑制就大打折扣,所以需要一个较小的电容并联对地,可以想想为什么?原因在于小电容,SFR值大,对高频信号提供了一个对地通路,所以在电源滤波电路中我们常常这样理解:大电容虑低频,小电容虑高频,根本的原因在于SFR(自谐振频率)值不同,当然也可以想想为什么?如果从这个角度想,也就可以理解为什么电源滤波中电容对地脚为什么要尽可能靠近地了。电容SFR值,电容的SFR值和电容值有关,和电容的引脚电感有关,所以相同容值的0402,0603,或直插式电容的SFR值也不会相同。我们可以通过电容的数据手册还可以直接通过网络分析仪测量来获取SFR值。
如何选择选择滤波电容
1)电容对地滤波,需要一组较小的电容并联对地,对高频信号提供了一个良好的对地通路。
2)电源滤波中电容尽可能的靠近模块的VBAT引脚,对地脚要尽可能靠近地。
3)理论上说电源滤波用电容越大越好,一般大电容滤低频波,同时也确保模块在低压下突发脉冲发射时,最大跌落电压仍处于正常的工作电压范围内。
4)可靠的做法是将一大一小两个电容并联,一般要求相差两个数量级以上,以获得更大的滤波频段。
容量选择:
(1)  大电容,负载越重,吸收电流的能力越强,这个大电容的容量就要越大;建议低ESR的钽电容,提高电源的续流能力以及稳定电压,建议220uF的电容。

(2)小电容率去除高频干扰,建议100nF、100pF、22pF三个滤波电容组合,以获得更大的滤波频段。

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