基于电容器采取的噪声对策：导电性高分子电容器的有效性
2018-01-22
基于电容器采取的噪声对策
基于电容器采取的噪声对策为，利用电容器的特性，即在频率低的区域电抗高，频率高的区域电抗低。在电源线路与地线间连接电容器，通过让噪声流向地线侧来预防噪声传递到后段电路(负荷侧)。由于将噪声旁路到地线，故而有时被称为旁路电容器，或通过使得前段/后段的各电路相互分离，有时被称为去耦合电容器。大多数的噪声属于高频的交流，因而可将电容器的这一基本特性用于噪声对策。
电容器除了上述作用外，还具有使得电源电压能保持恒定的作用。在负荷发生剧烈的变动(流向电源线路的电流急剧变化)时，有的情况下会无法跟随电源的响应。此时，通过电容器中所蓄积的电荷来进行负荷电流的提供，就可抑制电源电压的变动。
基于电容器采取的噪声对策的注意点
为了使基于电容器采取的噪声对策充分发挥效果，需要注意几个事项
① 在噪声的频率区选择电抗低的电容器
理想的电容器，其构成只包括C(容量成分)，而实际的电容器则包括R(电阻成分)和L(电感成分)。如右图所示，在等效电路上作为ESR(等效串联电阻)、ESL(等效串联电感)来表示。
电容器的电抗会根据频率而发生变化，在频率低的区域随着频率升高，电抗会逐渐减小。电抗在共振频率(成为1/(2πｆC)＝2πｆL 的频率)附近变为最小，之后如果频率升高，电抗也会增大。因此，在作为对象的噪声的频率区，选择电抗低的电容器很重要。
② 将噪声电流的流动范围限定在较小的范围内(将电容器配置在IC等负荷的附近)
③ 减小基板走线引入的电感(尽量缩短IC引脚与电容器间的距离)
这两点是基板布局设计中常被提到的事项。为了将噪声的流出、流入控制在最小限度，需要将电容器尽量连接在负载的附近，以对噪声进行旁路/去耦合。此外，包括电容器的引线在内，线路的电感有时会产生尖锋噪声，所以要尽量要予以减小＝缩短配线(引线)。
开关电源的输出纹波噪声对策
包含在开关电源的输出电压中的纹波噪声，是在电子电路中应当予以抑制的重要的噪声。压降开关电源的输出纹波电压ΔVo，会根据流向电感器的电流的纹波成分⊿IL和输出电容器的静电电容、ESR、ESL而产生。为了抑制输出纹波电压，有效的做法是增大输出电容器的静电电容，降低ESR等。输出中使用铝电解电容器等电容器时，容量成分足够大，有的情况下纹波电压通过电容器的ESR来决定。因此，如要在输出中使用铝电解电容器等静电电容比较大的电容器来抑制开关电源的输出纹波电压，就必须选择ESR低的输出电容器。此外，既然要执行开关动作，ESL也就成为纹波电压的构成要素，同样必须取较低的值。
导电性高分子电容器
作为最适合于噪声对策的电容器，松下电器提供具有优异特性的导电性高分子电容器的产品阵容(SP-Cap、POSCAP、OS-CON、Hybrid capacitor)。这里介绍其中的SP-Cap和POSCAP。
SP-Cap属于铝电解电容器的一种，其阳极使用铝，电介质使用氧化铝。POSCAP属于钽固体电解电容器的一种，其阳极使用钽，电介质使用氧化钽。这两种电容器，电解质都使用导电性高分子(聚吡咯、聚噻吩)导电性高分子的电导率大约为100 S/cm，是通常的铝电解电容器上使用的电解液的10,000倍，钽电解电容器上使用的二氧化锰的1,000倍。通过使用此导电性高分子，实现了非常低的ESR。其中，SP-Cap具有行业界顶级的超低ESR的特点，POSCAP具有小型、大容量的特点。
SP-Cap/POSCAP的电气特性
与电解电容器的比较
如前所述，SP-Cap/POSCAP与一般的电解电容器(铝电解电容器、钽电解电容器)相比，具有ESR非常低的特点。右边的图形中，对同一静电电容的铝电解电容器、钽电解电容器和SP-Cap/POSCAP的ESR、电抗的频率特性进行了比较。SP-Cap/POSCAP，其ESR非常低，特别是共振点附近的ESR大大低于其他的电解电容器。
因此，利用1个SP-Cap/POSCAP就可期望获得与多个铝电解和钽电解电容器同等以上降低纹波的效果。下面的比较例中列出了用1个SP-Cap来替换20个330uF的铝电解电容器、10个钽电解电容器时降低纹波的效果。由此可见，即使用1个SP-Cap就可获得足够的降低纹波的效果，因而可大幅度减少电容器的数量、空间，降低成本。
| 铝电解电容器 | 钽电解电容器 | SP-Cap | ||
|---|---|---|---|---|
| 电容器数量 | 入力 300kHz 670mVp-p |
20pcs (6600µF) | 20pcs (6600µF) | 1pcs (330µF) |
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| 纹波波形 |  |
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| 纹波电压 | 24mVp-p | 16mVp-p | 14mVp-p |
与MLCC的比较
接下来对ESR、ESL低，多被用于去除噪声用途的MLCC(层叠陶瓷电容器)进行比较。MLCC在去除噪声方面具有非常优异的特性，但是也具有必须在设计时予以考虑的MLCC固有的特性。
1. 静电电容的稳定性
静电电容会因DC偏压和温度特性而减少是已知的事实。下面列出了对DC偏压特性和温度特性的比较。特别是在DC偏压特性方面，MLCC的静电电容有的情况下会因电压而降低到额定容量的-80%左右。对于温度变化，也会引起静电电容较大的变化，变化量高达数10%。相对于具有如此特性的MLCC，SP-Cap/POSCAP的静电电容几乎不会发生变化，具有非常稳定的特性。
2. 压电(Piezo)效应引起的鸣响声
MLCC的介质使用具有压电效应的材料，因而在所施加电压发生周期性的变化时会引起电容器轻微的振动，电容器上安装的基板会引起共鸣并产生可听频带的响声。SP-Cap/POSCAP上使用的介质没有压电效应，因而不会产生鸣响声。
实际上在笔记本电脑和监视器上作为MLCC的鸣响声对策大多采用SP-Cap/POSCAP。除此之外，在因MLCC而产生的轻微振动有可能影响到设备的控制或测量结果时，作为对策使用SP-Cap/POSCAP也具有效果。
安全性
钽电解电容器等固体电解质的电容器，可列举出电容器的短路、起火等令人担忧的事项。SP-Cap/POSCAP，通过使用导电性高分子作为介质来抑制故障的发生，实现了高可靠性。电解电容器有时会因外部应力等原因而导致介质氧化皮膜损伤。一般的钽电解电容器，有时会因此损伤部分而导致短路、起火。即使在使用导电性高分子的情况下，漏电流也会集中于损伤部分，局部性地产生焦耳热。但是，损伤部分的导电性高分子材料会因300℃左右的比较低的热而绝缘物化，抑制电流。由此可见，与一般的钽电解电容器相比，SP-Cap/POSCAP可以说是安全性非常高的电容器。
＜POSCAP的绝缘恢复机制＞
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这是本公司网站里「电路设计的最优解」的技术信息中，关于噪声对策的相关内容整理后的资料。
