电容寄生参数及引 线对插入损耗的影响

电容寄生参数及引 线对插入损耗的影响

黄晓彬 王超 邓会存 王茜 刘本阳 冉战利

陕西长岭迈腾电子有限公司 陕西宝鸡 721006

摘要：电容是电路中最常见的器件之一，其主要作用有滤波、旁路、去耦、储能等。本文从插入损耗的角度入手，通过实测数据分析了寄生参数，引线长短、电容容值、数量，等因素对滤波效果的影响。

关键词：插入损耗 寄生参数 滤波

一、引言

无源滤波电路一般是由电容、电感、电阻等无源器件组成的滤波网络，其滤波效果主要取决于器件参数，电路拓扑，接地效果及与源、负载之间的阻抗匹配等因素。其中器件参数是基础，而电容是滤波电路中的灵魂，其较之电感、电阻有更灵活、更优异的参数调整空间。

二、插入损耗的定义

插入损耗是衡量滤波电路最重要的性能指标，它决定滤波电路性能的好坏。插入损耗的计算公式如下：

（dB）

式中，，Uin是某频率的干扰信号在滤波电路输入端的电压，Uout是干扰信号在滤波电路输出端的电压。插入损耗用分贝（dB）表示，分贝值越大，说明抑制当前频率噪声干扰的能力越强。

三、寄生参数对插入损耗的影响

理想的电容是没有寄生参数的，随频率的增大，插入损耗是呈线性增长的。但实际电容因结构、引线的影响，都存在寄生参数，其插入损耗会在线性增长的过程中达到一个最高点，然后逐渐回落，这个最高点称为器件的自谐振频率，该谐振点的频率为：

其中L为电容的等效寄生电感（ESL）,C为电容容值。理想电容与实际电容的插入损耗曲线对比如图1所示。

图
1 理想器件与实际器件插入损耗曲线对比

因
电容种类繁多，这里我们对最常用的陶瓷贴片电容做一个测试对比，部分测试数据如图2所示，测试仪器为RS公司的四通道矢量网络分析仪ZNB4，测试源阻抗和负载阻抗都是50Ω。

图2 陶瓷贴片电容插入损耗测试对比

从测试结果我们统计并计算出各容值的贴片电容的fs和ESL如表1所示。从表中我们可以看出，贴片电容的ESL一般在10nH以下，封装越小，ESL越小。

表1 贴片电容寄生参数对比

四、引线对插入损耗的影响

电容的引线相当于给电容引入一个外部的ESL，引线的长短、粗细对其滤波性能有相当大的影响，这里我们选取了一个1210封装、3.3uF的陶瓷贴片电容进行对比测试，测试数据如图3所示。

图
3 不同引线电容插入损耗测试对比

从测试结果我们可以看出，引线越长，电容的谐振频率越低，高于谐振频率部分的插入损耗也衰减得越明显，整体的滤波效果下降。一般引线的电感平均为10nH/mm，大面积的覆铜可大大降低引线电感，所以在PCB布线时电容引线应该尽量短而粗，最好使用覆铜。

五、电容容值、数量对插入损耗的影响

电容容值对滤波效果的影响是毋庸置疑的，针对干扰的频率选取合适的容值非常关键。从插入损耗的角度来看，大电容的自谐振频率偏低，小电容的自谐振频率偏高，而在自谐振频率附近的滤波效果是最好的， 这就是我们常说“大电容滤低频，小电容滤高频”的道理。

大
小电容的插入损耗实测数据可以参考图2，这里主要对不同容值电容并联及同容值电容并联的情况再做分析。图4为不同容值及同容值电容并联的插入损耗数据。

图4 电容并联插入损耗测试

从图中我们可以看出，大小电容的并联确实能够对高低频信号都能起到滤波效果，但在其插入损耗网线的交汇处会形成一个新的谐振点，我们称之为反共振频率点，在这个频率点周围，并联电容的插入损耗相对于单个电容来说是偏低的，如果在这个点附近有干扰信号，可能会达不到EMC的要求。

而同容值的电容并联并不是1+1=2的效果，与电容的布局有很大关系。电容并联使用后，等效电容C变成了nC，等效电感L变为L/n，因为等效电感的变低，整体的滤波效果会比单个电容会有所提升，这就是图中3个1uF电容并联比1个3.3uF电容的整体性能稍好的原因。同时我们发现，并联电容的间距拉大，电容间引入新的引线电感，某段频率的插入损耗会有所提升，但可能导致新的谐振问题，如图10中2.6MHz处的振荡，所以电容并联使用时应尽量减小电容间的间距，以免引入不必要的谐振问题。

六、结论

本文从插入损耗的角度入手，通过实测数据分析了影响电容滤波效果的各类因素，得出以下结论：1）实际电容存在寄生参数，在其自谐振频率附近滤波效果最好；2）贴片电容的ESL一般在10nH以下，封装越小，ESL越小；3）电容引线应该尽量短而粗，PCB最好使用覆铜；4）大小电容的并联需要注意反共振频率点的风险；5）同容值的电容并联时应尽量减小电容间的间距。

参考文献：

[1]张亮，周新，曹振华，电磁兼容技术及应用实例详解[M]. 电子工业出版社，2014.4

[2]郑军奇，电磁兼容设计与测试案例分析[M]. 电子工业出版社，2010.1

[3]大卫.A.韦斯顿著，杨自佑等译，电磁兼容原理与应用—方法、分析、电路、测量[M]. 机械工业出版社，2009.9