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电容在EMC设计中的应用技巧

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Technology

电容在EMC设计中的应用技巧

分类:
电源技术
作者:
广州市爱浦电子科技有限公司
来源:
原创
发布时间:
2021/08/30
浏览量

在 EMC 设计中,电容是应用最广泛的元件之一,主要用于构成各种低通滤波器或用作去耦电容和旁路电容。大 量实践表明:在 EMC 设计中,恰当选择与使用电容,不仅可解决许多 EMI 问题,而且能充分体现效果良好、价格低 廉、使用方便的优点。若电容的选择或使用不当,则可能根本达不到预期的目的,甚至会加剧 EMI 程度。 

本文根据 EMC 设计原理和不同结构电容的特点,结合相关研究的新进展,针对电容在 EMC 设计中的一些不恰当 的认识与做法,讨论了电容在 EMC 设计中的应用技巧。对 EMC 设计具有指导作用。 

1,滤波器结构的选择 

EMC 设计中的滤波器通常指由 L,C 构成的低通滤波器。不同结构的滤波器的主要区别之一,是其中的电容与电 感的联接方式不同。滤波器的有效性不仅与其结构有关,而且还与连接的网络的阻抗有关。如单个电容的滤波器在 高阻抗电路中效果很好,而在低阻抗电路中效果很差。 

传统上,在滤波器两端的端接阻抗为 50 欧姆的条件下描述滤波器的特性(这一点往往未被注意),因为这样测试 方便,并且是符合射频标准的。 
但是,实践中源阻抗 Zs 和负载阻抗 Zi 很复杂,并且在要抑制的频率点上可能是未知的。如果滤波器的一端或两端 与电抗性元件相联结,则可能会产生谐振,使某些频率点的插入损耗变为插入增益。 

可见,正确选择滤波器的结构至关重要。究竟是选择电容、电感还是两者的组合,是由所谓的"最大不匹配原则 "决定的。简言之,在任何滤波器中,电容两端存在高阻抗,电感两端存在低阻抗。图 1 是利用最大不匹配原则得到 的滤波器的结构与 ZS 和 ZL 的配合关系,每种情形给出了 2 种结构及相应的衰减斜率(n 表示滤波器中电容元件和电 感元件的总数)。 

但是,如何判定 Z,和乙的值是高或低,一些资料上并未作具体说明[1,2],实践中也往往不清楚。 

Zs 和 ZL 的所谓的高值或低值的临界选取有一定的随机性,选取 50n 作为边界值是比较合适的。 

顺便指出,在电子电路中,因信号一般较弱,而 RC 低通滤波器对信号有一定的衰减,故很少使用。 
 

2 自谐振频率与截止频率 

2.1 去耦电容的自谐振频率 

实际的电容都有寄生电感 Ls。Ls 的大小基本上取决于引线的长度,对圆形、导线类型的引线,上'的典型值为 10nH/cm[3]。典型的陶瓷电容的引线约有 6 mm 长,会引入约 15nH 的电感'"。引线电感也可由下式估算[4]: 

其中:/和 r 分别为引线的长度和半径。 

寄生电感会与电容产生串联谐振,即自谐振,在自谐振频率 fo 处,去耦电容呈现的阻抗最小,去耦效果最好。 但对频率 f 高于 f/o 的噪声成份,去耦电容呈电感性,阻抗随频率的升高而变大,使去耦或旁路作用大大下降。实 践中,应根据噪声的最高频率 fmax 来选择去耦电容的自谐振频率 f0,最佳取值为 fo=fmax。 

但是,一些资料上只是从电容的寄生电感的角度给出了自谐振频率 fo 的资料。实际上,去耦电容的自谐振频率 不仅与电容的寄生电感有关,而且还与过孔的寄生电感[5]、联结去耦电容与芯片电源正负极引脚的印制导线的寄生 电感[6.7]等都有关系。如果不注意这一点,查得的资料或自己的估算往往与实际情况相去甚远。 

实践中,一般是先确定去耦电容的结构(电容的寄生电感与其结构关系密切),再用试验的方法确定容量。 

2.2 电源滤波器的钓自谐振频率 

在交流电源进线与电源变压器之间设置电源滤波器是抗 EMI 的常用措施之一。常用的电源滤波器如图 2 所示。 人们一般对去耦电容的自谐振频率问题比较注意,实际上电源滤波器也有自谐振频率问题,处理不当,同样达不到 预期的目的。 

对图 2 所示的滤波器,分析可知,当电感的电阻 rL 很小时,自谐振频率分别为: 

设计电源滤波器时,必须使滤波器的自谐振频率远小于噪声频率。处理不当.不仅不能衰减噪声,反而会放大 噪声。 

例如[8]图 2(a)所示的滤波器,如果取 L=1 mH,rL=1 欧姆,C=0.47 uF(这也是许多资料上推荐的参数), 可算出 f0=5.2 kHz。而 EMC 测试中的快速脉冲群频率为 5.0kHz(2kV)或 2.5kHz(4kV),5.0kHz 刚好谐振,2.5kHz 也不会被衰减,如图 3 所示。这说明滤波器中元件参数选取不当,可能根本起不到提高 EMC 性能的作用。 

3.电容结构的选择 

从理论上讲,电容的容量越大,容抗就越小,滤波效果就越好。一些人也有这种习惯认识。但是,容量大的电容一般寄生电感也大,自谐振频率低(如典型的陶瓷电容,0.1 uF 的 fo=5MHz,0.01ulF 的 fo=15MHz,0.001uF 的 f0=50MHz),对高频噪声的去耦效果差,甚至根本起不到去耦作用。分立元件的滤波器在频率超过 10MHz 时,将 开始失去性能。元件的物理尺寸越大,转折点频率越低。这些问题可以通过选择特殊结构的电容来解决。  

贴片电容的寄生电感几乎为零,总的电感也可以减小到元件本身的电感、通常只是传统电容寄生电感的 1/3~ 1/5,自谐振频率可达同样容量的带引线电容的 2 倍(也有资料说可达 10 倍),是射频应用的理想选择。 

传统上,射频应用一般选择瓷片电容。但在实践中,超小型聚脂或聚苯乙烯薄膜电容也是适用的,因为他们的 尺寸与瓷片电容相当。 

三端电容能将小瓷片电容频率范围从 50MHz 以下拓展到 200MHz 以上,这对抑制 VHF 频段的噪声是很有用的。要 在 VHF 或更高的频段获得更好的滤波效果,特别是保护屏蔽体不被穿透,必须使用馈通电容。  


4  电容容量的选择 

在数字系统中,去耦电容的容量通常按下式估算: 

其中:/xl 为瞬变电流;AV 为逻辑器件允许的电源电压变  

 

此外,当电源引线比较长时,瞬变电流会引起较大的压降,此时就要加容纳电容以维持器件要求的电压值。 

5 去耦电容的安装方式与 PCB 设计 

安装去耦电容时,一般都知道使电容的引线尽可能短。但是,实践中往往受到安装条件的限制,电容的引线不 可能取得很短。况且,电容引线的寄生电感只是影响目谐振频率的因素之一,自谐振频率还与过孔的寄生电感、相 关印制导线的寄生电感等因素有关。一味地追求引线短,不仅困难,而且根本达不到目的。  

这说明要保证去耦效果,在 PCB 设计时,就要考虑相关问题。设计印制导线时,应使去耦电容距离芯片电源正 负极引脚尽可能近(当然电容引线要尽可能短)。设计过孔时应尽量减小过孔的寄生电感。 


6 结 语 

人们不断纠正或放弃电容在 EMC 设计中的一些传统认识与做法。电容在 EMC 设计中的作用大小与多种因素有关, 巳其中的很多因素一直在不断的研究与变化中。所以,要充分发挥电容在 EMC 设计中的作用,及时了解相关研究的 新进展,及时采用新技术,是非常重要的。 

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