電容在EMC設(shè)計中的應(yīng)用技巧

1、電容在EMC設(shè)計中的應(yīng)用技巧在EMC設(shè)計中，電容是應(yīng)用最廣泛的元件之一，主要用于構(gòu)成各種低通濾波器或用作去耦電容和旁路電容。大量實踐表明：在EMC設(shè)計中，恰當(dāng)選擇與使用電容，不僅可解決許多EMI問題，而且能充分體現(xiàn)效果良好、價格低廉、使用方便的優(yōu)點。若電容的選擇或使用不當(dāng)，則可能根本達(dá)不到預(yù)期的目的，甚至?xí)觿MI程度。本文根據(jù)EMC設(shè)計原理和不同結(jié)構(gòu)電容的特點，結(jié)合相關(guān)研究的新進(jìn)展，針對電容在EMC設(shè)計中的一些不恰當(dāng)?shù)恼J(rèn)識與做法，討論了電在EMC設(shè)計中，電容是應(yīng)用最廣泛的元件之一，主要用于構(gòu)成各種低通濾波器或用作去耦電容和旁路電容。大量實踐表明：在EMC設(shè)計中，恰當(dāng)選擇與使用電容，不僅可解

2、決許多EMI問題，而且能充分體現(xiàn)效果良好、價格低廉、使用方便的優(yōu)點。若電容的選擇或使用不當(dāng)，則可能根本達(dá)不到預(yù)期的目的，甚至?xí)觿MI程度。本文根據(jù)EMC設(shè)計原理和不同結(jié)構(gòu)電容的特點，結(jié)合相關(guān)研究的新進(jìn)展，針對電容在EMC設(shè)計中的一些不恰當(dāng)?shù)恼J(rèn)識與做法，討論了電容在EMC設(shè)計中的應(yīng)用技巧。對EMC設(shè)計具有指導(dǎo)作用。1濾波器結(jié)構(gòu)的選擇EMC設(shè)計中的濾波器通常指由L，C構(gòu)成的低通濾波器。不同結(jié)構(gòu)的濾波器的主要區(qū)別之一，是其中的電容與電感的聯(lián)接方式不同。濾波器的有效性不僅與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且還與連接的網(wǎng)絡(luò)的阻抗有關(guān)。如單個電容的濾波器在高阻抗電路中效果很好，而在低阻抗電路中效果很差。傳統(tǒng)上，在濾波器

3、兩端的端接阻抗為50歐姆的條件下描述濾波器的特性（這一點往往未被注意），因為這樣測試方便，并且是符合射頻標(biāo)準(zhǔn)的。但是，實踐中源阻抗Zs和負(fù)載阻抗Zi很復(fù)雜，并且在要抑制的頻率點上可能是未知的。如果濾波器的一端或兩端與電抗性元件相聯(lián)結(jié)，則可能會產(chǎn)生諧振，使某些頻率點的插入損耗變?yōu)椴迦朐鲆?。可見，正確選擇濾波器的結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。究竟是選擇電容、電感還是兩者的組合，是由所謂的最大不匹配原則決定的。簡言之，在任何濾波器中，電容兩端存在高阻抗，電感兩端存在低阻抗。圖1是利用最大不匹配原則得到的濾波器的結(jié)構(gòu)與ZS和ZL的配合關(guān)系，每種情形給出了2種結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的衰減斜率（n表示濾波器中電容元件和電感元件的總數(shù)

4、）。但是，如何判定Z，和乙的值是高或低，一些資料上并未作具體說明，實踐中也往往不清楚。Zs和ZL的所謂的高值或低值的臨界選取有一定的隨機(jī)性，選取50n作為邊界值是比較合適的。順便指出，在電子電路中，因信號一般較弱，而RC低通濾波器對信號有一定的衰減，故很少使用。2自諧振頻率與截止頻率21去耦電容的自諧振頻率實際的電容都有寄生電感Ls。Ls的大小基本上取決于引線的長度，對圓形、導(dǎo)線類型的引線，上的典型值為10nHcm。典型的陶瓷電容的引線約有6mm長，會引入約15nH的電感。引線電感也可由下式估算：其中：和r分別為引線的長度和半徑。寄生電感會與電容產(chǎn)生串聯(lián)諧振，即自諧振，在自諧振頻率fo處，去耦

5、電容呈現(xiàn)的阻抗最小，去耦效果最好。但對頻率f高于fo的噪聲成份，去耦電容呈電感性，阻抗隨頻率的升高而變大，使去耦或旁路作用大大下降。實踐中，應(yīng)根據(jù)噪聲的最高頻率fmax來選擇去耦電容的自諧振頻率f0，最佳取值為fo=fmax。但是，一些資料上只是從電容的寄生電感的角度給出了自諧振頻率fo的資料。實際上，去耦電容的自諧振頻率不僅與電容的寄生電感有關(guān)，而且還與過孔的寄生電感、聯(lián)結(jié)去耦電容與芯片電源正負(fù)極引腳的印制導(dǎo)線的寄生電感等都有關(guān)系。如果不注意這一點，查得的資料或自己的估算往往與實際情況相去甚遠(yuǎn)。實踐中，一般是先確定去耦電容的結(jié)構(gòu)（電容的寄生電感與其結(jié)構(gòu)關(guān)系密切），再用試驗的方法確定容量。22

6、電源濾波器的釣自諧振頻率在交流電源進(jìn)線與電源變壓器之間設(shè)置電源濾波器是抗EMI的常用措施之一。常用的電源濾波器如圖2所示。人們一般對去耦電容的自諧振頻率問題比較注意，實際上電源濾波器也有自諧振頻率問題，處理不當(dāng)，同樣達(dá)不到預(yù)期的目的。對圖2所示的濾波器，分析可知，當(dāng)電感的電阻rL很小時，自諧振頻率分別為：設(shè)計電源濾波器時，必須使濾波器的自諧振頻率遠(yuǎn)小于噪聲頻率。處理不當(dāng)不僅不能衰減噪聲，反而會放大噪聲。例如圖2（a）所示的濾波器，如果取L1mH，rL1歐姆，C047uF（這也是許多資料上推薦的參數(shù)），可算出f052kHz。而EMC測試中的快速脈沖群頻率為50kHz（2kV）或25kHz（4kV

7、），50kHz剛好諧振，25kHz也不會被衰減，如圖3所示。這說明濾波器中元件參數(shù)選取不當(dāng)，可能根本起不到提高EMC性能的作用。3.電容結(jié)構(gòu)的選擇從理論上講，電容的容量越大，容抗就越小，濾波效果就越好。一些人也有這種習(xí)慣認(rèn)識。但是，容量大的電容一般寄生電感也大，自諧振頻率低（如典型的陶瓷電容，01uF的fo=5MHz，001ulF的fo=15MHz，0001uF的f0=50MHz），對高頻噪聲的去耦效果差，甚至根本起不到去耦作用。分立元件的濾波器在頻率超過10MHz時，將開始失去性能。元件的物理尺寸越大，轉(zhuǎn)折點頻率越低。這些問題可以通過選擇特殊結(jié)構(gòu)的電容來解決。貼片電容的寄生電感幾乎為零，總的

8、電感也可以減小到元件本身的電感、通常只是傳統(tǒng)電容寄生電感的1315，自諧振頻率可達(dá)同樣容量的帶引線電容的2倍（也有資料說可達(dá)10倍），是射頻應(yīng)用的理想選擇。傳統(tǒng)上，射頻應(yīng)用一般選擇瓷片電容。但在實踐中，超小型聚脂或聚苯乙烯薄膜電容也是適用的，因為他們的尺寸與瓷片電容相當(dāng)。三端電容能將小瓷片電容頻率范圍從50MHz以下拓展到200MHz以上，這對抑制VHF頻段的噪聲是很有用的。要在VHF或更高的頻段獲得更好的濾波效果，特別是保護(hù)屏蔽體不被穿透，必須使用饋通電容。4電容容量的選擇在數(shù)字系統(tǒng)中，去耦電容的容量通常按下式估算：其中：xl為瞬變電流；AV為邏輯器件允許的電源電壓變此外，當(dāng)電源引線比較長時，瞬變電流會引起較大的壓降，此時就要加容納電容以維持器件要求的電壓值。5去耦電容的安裝方式與PCB設(shè)計安裝去耦電容時，一般都知道使電容的引線盡可能短。但是，實踐中往往受到安裝條件的限制，電容的引線不可能取得很短。況且，電容引線的寄生電感只是影響目諧振頻率的因素之一，自諧振頻率還與過孔的寄生電感、相關(guān)印制導(dǎo)線的寄生電感等因素有關(guān)。一味地追求引線短，不僅困難，而且根本達(dá)不到目的。這說明要保證去耦效果，在PCB設(shè)計時，就要考慮相關(guān)問題。設(shè)計印制導(dǎo)線時，應(yīng)使去耦電容距離芯片電源正負(fù)極引腳盡可能近（當(dāng)然電容引線要盡可能短）。設(shè)計