低通滤波器上低ESR电容器的效果和注意点

近年来，电子设备上使用开关电源在日益增多。开关电源对高效率化和小型化做出了较大的贡献，但是也有不少负面影响，即起因于其动作的开关噪声成为较大的噪声源。此外，高速的数字元器件也一样会向电源线路传播噪声。这些噪声特别会成为导致包含模拟电路在内的设备、装置的测量精度和S/N比恶化的原因，因而需要采取对策。

低通滤波器的特性

作为减少电源线路的噪声的手段，有的情况下会使用右图所示的低通滤波器。左边示出的是基于电感器L和电容器C的LC滤波器，右边示出的是基于电阻R和电容器C的RC滤波器。这两种滤波器都是最基本的无源低通滤波器，具有不让插入线路的高频成分通过(进行滤波处理，使其衰减)的功能。

下面列出对各滤波器频率对应的衰减率的关系。

LC滤波器属于二次滤波器，按－40dB/dec从截止频率fc开始衰减。理想的特性是即使频率升高也维持此衰减率，但由于会产生电容器的静电电容和ESR引起的零点fz，fz以后会因一次演进而追加＋20dB/dec的衰减，衰减率成为－20dB/dec。

RC滤波器属于一次滤波器，按－20dB/dec从fc开始衰减。同样，维持此衰减率为理想的特性，但由于fz以后追加＋20dB/dec的衰减，衰减率会被抵消掉。

fz是由1/(2π×Cout×ESR)来决定的，这两种滤波器都是电容器的ESR(等效串联电阻)越低越接近理想的衰减特性。也就是说，fz会向更高的频率转变，能够维持理想衰减率的频率区域会延伸至更高的频率。

在增加电容器的静电电容时，fc、fz都会降低。在即使增加静电电容，噪声的衰减量仍然不够理想时，有的情况下是因为受到fz的影响。

电容器的ESR和低通滤波器的衰减特性

基于LC及RC的低通滤波器，电容器的ESR越低越能维持高衰减率至高频率。通过一般的铝电解电容器和以低ESR为特点的电解电容器来列出实际的特性。

松下电器备有电解质采用了导电性聚合物材料的以下所示的低ESR电解电容器的产品阵容。基本上这些电容器各自具有ESR低的特点，本次使用了OS-CON。

●电容器
・OS-CON(型号20SEP33M)：20VDC、33μF、ESR＝37mΩ(实测值)
・铝电解电容器：10VDC、33μF、ESR＝1410mΩ(实测值)

●LC滤波器上的比较(L＝10μH)

●RC滤波器上的比较(R＝5.6Ω)

从中可以获知，OS-CON相比一般的铝电解电容器，无论是LC以及RC哪一方的滤波器，衰减率直至高频率区域都较大。另外，这是常温下的比较结果，而在低温下(0°C以下)，一般的铝电解电容器的ESR会极端地增加，所以会导致衰减率大幅度下降。相比之下，OS-CON即使是在低温下ESR的变动也较少，因而可以维持接近常温时的高衰减率。

低ESR电容器向开关电源输出平滑用电容器的应用和注意点

此电路例为电压模式的二极管整流降压型开关电源的模式图，表示输出电压被控制电路的误差放大器反馈来进行稳定化控制的情况。已广为人知的是，反馈环路如果没有适当的相位余量就会变得不稳定，开关电源电路上也一样。其思路与使用了运算放大器等的放大电路相同，依赖于增益与相位特性下极点和零的关系。此外，不管示例的转换方式如何，包括线性调节器在内，对于具有反馈环路的电路，需要进行关于相位余量的研究。

很显然，反馈环路中相位滞后一旦成为360°就会引起振荡。一般而言，如果没有40°前后以上的相位余量，控制有可能变得不稳定。示例中的电路的反馈是负反馈，本来就有180°的相位滞后。再加上环路内的输出LC滤波器引起的相位滞后，从LC滤波器的相位滞后超过140°(总体相位滞后为320°)的时候起，动作有可能会变得不稳定。

ESR对LC滤波器的相位产生的影响

LC滤波器的衰减率(增益)与电容器的ESR的关系如前所述，而ESR还会对相位滞后产生影响。右图表示相对于实际的LC滤波器频率的增益(衰减率)和相位特性。理想的增益和相位用各细虚线来表示。

LC滤波器属于二次滤波器，因而作为理想特性的相位滞后会成为180°。如果是这样的话，在负反馈的环路中置入LC滤波器的时点就会单纯地引起振荡，而实际上则会因零点而不会成为理想的状态。

相位从截止频率开始滞后，一直滞后到零点。从零点开始，通过Cout的容量与ESR引起的一次演进，一直演进到滞后90°为止(蓝色的实线)。这里，关键的一点是零点处的相位滞后。零点处的相位滞后一旦超过能够确保40°前后的相位余量的140°，环路就会变得不稳定。

零点是由1/(2π×Cout×ESR)来决定的。如果ESR降低，零点频率就会升高，接近理想特性，相位会相应地滞后而接近180°。也就是说，相位余量减少，最坏的情况下会引起振荡。此外还必须注意的是零部件的特性偏差和温度变化。相位余量为最低限度时，在常温下没有问题，而在低温下则有可能潜伏着振荡等问题。

对策
这个问题可通过反馈环路的相位补偿来进行应对。基本的思路和方法与通常的放大电路的相位补偿大致上相同，但有的情况下会因拓扑结构或控制模式而变得复杂。

如果是使用开关电源用的IC的电源电路，大多数的电源用IC都具备相位补偿用的端子。此外，也有的类型IC本身就安装有相位补偿电路，无需外部补偿。基本上在所使用的电源IC的数据表或设计手册中记载有相位补偿方法，照着去做就可以了。需要的零部件，电阻和电容器也就几个就可以了。

此外，由于难于单纯地测量电源IC的环路频率特性，因而一般通过负荷瞬变响应特性的优化来进行相位补偿。这一点只要具有负荷装置和示波器就可做到，由于还提供有启动所需的标准电路和零部件规定数量，因而实际操作起来是比较简单的。如果拥有频率特性分析仪(FRA)，则可在测量实际的频率特性的同时进行调整。

总结

开关电源和高速逻辑元器件有可能成为噪声源，作为一项噪声对策使用LC滤波器或RC滤波器。两种滤波器与要使用的电容器的ESR在滤波器性能上有关系，通过使用低ESR的电容器，就可使滤波器的衰减特性接近理想状态。松下电器的导电性聚合物电解电容器ESR低，不失为有效的选配件。

此外，开关电源的输出平滑滤波器的Cout为了降低脉动电压，必须满足ESR低的要求。对此，低ESR的导电性聚合物电解电容器也是有效的解决方案，但Cout的低ESR化有可能导致开关电源的输出不稳定，要予以注意。通过进行电源的反馈环路的相位补偿就可采取对策，在使用电源IC的电源电路上，大多数情况下电源IC上都具有相位补偿端子，因而可比较简单地进行调整。基于这一点，就可进行输出脉动电压小的开关电源设计。

相关产品信息

• 导电性聚合物铝固体电解电容器 (OS-CON)

LC滤波器模拟器

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