電容在EMC設(shè)計中的應(yīng)用

1、電容在EMC設(shè)計中的應(yīng)用本文想從EMC角度談?wù)勲娙莸倪x型與應(yīng)用，電容是電子工程師非常熟悉的一種電子元件，基本功能有：儲能、濾波、去耦、旁路等，是最重要的EMC器件之一。本文從功能角度將電容應(yīng)用過程中可能出現(xiàn)的問題，一一解析，給廣大電子工程師們設(shè)計提供一點借鑒。1. 電容的分類電容(Electric capacity)，由兩個金屬極，中間夾有絕緣材料（介質(zhì)）構(gòu)成。由于絕緣材料的不同，所構(gòu)成的電容器的種類也有所不同：   按結(jié)構(gòu)可分為：固定電容，可變電容，微調(diào)電容。  按介質(zhì)材料可分為：氣體介質(zhì)電容，液體介質(zhì)電容，無機固體介質(zhì)電容，有機固

2、體介質(zhì)電容電解電容。   按極性分為：有極性電容和無極性電容。無極性電容(主要指陶瓷電容)的參數(shù)(電介質(zhì)材料類別，溫度特性以及誤差等參數(shù))選擇在一些設(shè)計中是比較關(guān)鍵的。表1為電容的溫度與容量誤差編碼表。如X7R電容表示電容工作的溫度范圍是-55-125，容量變化范圍是±15%。 表1常用的電容有 NP0、X7R、Y5V，主要區(qū)別是它們的填充介質(zhì)不同。在相同的體積下由于填充介質(zhì)不同所組成的電容器的容量就不同，隨之帶來的電容器的介質(zhì)損耗、容量穩(wěn)定性等也就不同。所以在使用電容器時應(yīng)根據(jù)電容器在電路中作用不同來選用不同的電容器。 NPO電氣性能穩(wěn)定，適

3、用于高穩(wěn)定性、高頻場合；X7R電氣性能較穩(wěn)定,隨溫度、時間、電壓的變化,其特性變化并不明顯，適用于要求較高的耦合、旁路、濾波電路及中頻場合；Y5V具有很高的介電系數(shù)，常用于生產(chǎn)小體積，大容量的電容器，其容量隨溫度改變比較明顯，但成本較低，仍廣泛用于對容量，損耗要求不高的耦合、濾波、旁路等電路場合。2.1分類用來給器件提供恒定的電流和電壓，常用在電源模塊上，屬于低頻范疇。能用作儲能的電容都是有極性電容，常用的有鋁電解電容和鉭電解電容。鋁電解電容的特點：1) 容量大；2) ESR,ESL大；3) 低頻特性差。一般用在電源輸入輸出端。鉭電解電容的特點：1) ESR,ESL低；2) 高頻特性好；3)

4、電壓和容量低；4) 價格比鋁電解電容高。鉭電解電容一般用在對電源穩(wěn)定性要求較高且低電壓的場合。2.2 如何選擇合適的電解電容電解電容的選型2個重要的參數(shù)：耐壓和容量。耐壓一般是最高電壓的1.2-1.5倍，這是系統(tǒng)降額設(shè)計需要考慮的問題。容量的選擇有一個基本公式：1/2C(U)² = Pt-(1)U是t時間內(nèi)允許的最大電壓差，這個是為了防止瞬間電源電壓跌落給后級電路帶來影響而采取的限值，其數(shù)值要參考電源的輸入輸出參數(shù)。P是電解電容供電總功率。根據(jù)公式(1)，C = (2 Pt)/ (U)²其計算依據(jù)就是電解電容要提供短暫和足額的功率輸出。2. 去耦去耦是通過咋信號線與電源平面

5、間提供一個低阻抗的電源來實現(xiàn)的。在頻率升到自諧振點之前，隨著頻率的升高，去耦電容的阻抗會越來越低，這樣高頻噪聲會有效的從信號線上泄放，余下的低射頻能量就沒有什么影響了。當(dāng)元件開關(guān)消耗直流能量時，沒有去耦電容的電源分配網(wǎng)絡(luò)將發(fā)生一個瞬時尖峰，這主要是因為電源網(wǎng)絡(luò)中存在一定的電感，而去耦電容能夠提供一個局部的、電感小的電源，將電壓保持在一個恒定的參考點，阻止了錯誤的邏輯轉(zhuǎn)換。去耦電容的另一個作用是提供局部的能量存儲源，可以減小電源供電的輻射路徑。電路中RF能量與IAf成正比，I是回路電流，A是回路面積，f是電流的頻率，在I和f確定的條件下，減小回路面積變得非常重要。2.1 為什么要去耦由于電源線總

6、有不同程度的電感，當(dāng)發(fā)生電流突變(在數(shù)字電路中經(jīng)常發(fā)生電平切換，電流發(fā)生快速變化)，會有感應(yīng)電壓，這就是電源線上出現(xiàn)的噪聲。當(dāng)電源線上產(chǎn)生尖峰時，地線上也必然流過這個電流，電線上也有不同程度的電感，出現(xiàn)了地線噪聲，對周期信號來說，噪聲尖峰更加集中。2.2 電容自諧振頻率實際上，所有的電容都包含一個LCR電路，L為引線電感，R是引線電阻，R2介質(zhì)損耗電阻。 圖1 電容等效電路圖2 電容頻率阻抗特性在一定的頻率上，L和C串聯(lián)將提供非常低的阻抗，在自諧振點之上，電容將不再具有電容的特性，將變成一個電感！因此選擇旁路和去耦電容時，并非取決于電容值的大小，而是電容的自諧振頻率！在自諧振頻率之下電容表現(xiàn)為

7、容性，在自諧振頻率之上，表現(xiàn)為感性，將減小RF去耦功能。因此，選擇去耦電容容值時，必須保證要去耦的噪聲頻率在電容的自諧振頻率之下。圖3顯示了常見電容的自諧振頻率。圖3 電容的自諧振頻率注：0.25 inch 引腳寄生電感 L = 3.75 nH 0805 寄生電感 L = 1 nH2.3 去耦電容的應(yīng)用策略0.1uF電容和0.01uF電容是當(dāng)今高速電路設(shè)計中最常用的去耦電容。一般表貼電容的自諧振點不會超過500MHz，0.01uF的表貼裸電容的自諧振點在50150MHz之間，實際應(yīng)用中引線電感的存在使得再小的電容的去耦頻率上限不過超過300MHz.。這也是很多電路中即使工作頻率再高，去耦電容也

8、只用0.01uF的原因。解決這個問題的有效辦法就是電容的并聯(lián)。 去耦電容的并聯(lián)戰(zhàn)略性的放置幾個電容將會起到很好的去耦效果，在實際的應(yīng)用中，兩個電容并聯(lián)能夠提供更寬的抑制帶寬，這兩個電容必須有不同的數(shù)量級或容差100倍的關(guān)系(如0.1uF和0.001uF)，以達(dá)到最佳的效果。并聯(lián)電容的總?cè)葜挡皇侵饕?，重要的因素是由并?lián)電容產(chǎn)生的并聯(lián)阻抗！當(dāng)功耗較大時，可以考慮多個相同容值的電容并聯(lián)。 去耦電容的位置去耦電容需要盡可能靠近芯片Vcc引腳處，這樣可以減小布線電感，同樣容值的電容，貼片的效果要好于插件，原因在于貼片電容內(nèi)的引線電感要小于插件電容，一般采用多層陶瓷電容(MLCC)，封裝越小，去耦效果越好。為了提高去耦效果和頻率，一般采用容值相差100倍的兩個電容并聯(lián)的方式。另外，在每個Vcc引腳處都應(yīng)該放置一個去耦電容。有時，改變電容的連接方式和位置可以大大改善EMC性能。 去耦電容的應(yīng)用場合 去耦電容一般用在數(shù)字電路的電源線和信號線上。對敏感的信號，可以在信號線上并聯(lián)一個0.01uF的電容。3.3.4 去耦電容與旁路電容的區(qū)別去耦電容與旁路電路本質(zhì)上沒有區(qū)別。電源系統(tǒng)的電容本來就有多種用途,從為去除