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电容如何做好电磁兼容性设计?

2022-11-17 14:12
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电容作为常见的电子元件,是电子电路中使用频率比较高的元件之一,一直以来是电子工程师的重点元件,但很少人知道电容本身存在电磁辐射,也很容易受到其他元件的串扰影响,所以电容做好电磁兼容性设计是很有必要的。

由于电容种类繁多,性能各异,选择合适的电容并不容易。但是电容的使用可以解决许多EMC问题。接下来将描述几种最常见的电容类型、性能及使用方法。

铝质电解电容通常是在绝缘薄层之间以螺旋状缠绕金属箔而制成,这样可在单位体积内得到较大的电容值,但也使得该部分的内部感抗增加。

钽电容由一块带直板和引脚连接点的绝缘体制成,其内部感抗低于铝电解电容。

陶质电容的结构是在陶瓷绝缘体中包含多个平行的金属片。其主要寄生为片结构的感抗,并且通常这将在低于MHz的区域造成阻抗。绝缘材料的不同频响特性意味着一种类型的电容会比另一种更适合于某种应用场合。铝电解电容和钽电解电容适用于低频终端,主要是存储器和低频滤波器领域。在中频范围内(从KHz到MHz),陶质电容比较适合,常用于去耦电路和高频滤波。特殊的低损耗(通常价格比较昂贵)陶质电容和云母电容适合于共高频应用和微波电路。

为得到最好的EMC特性,电容具有低的ESR(Equivalent Series Resistance,等效串联电阻)值是很重要的,因为它会对信号造成大的衰减,特别是在应用频率接近电容谐振频率的场合。

1、旁路电容

旁路电容的主要功能是产生一个交流分路,从而消去进入易感区的那些不需要的能量。旁路电容一般作为高频旁路器件来减小对电源模块的瞬态电流需求。通常铝电解电容和钽电容比较适合作旁路电容,其电容值取决于PCB板上的瞬态电流需求,一般在10至470uF范围内。若PCB板.上有许多集成电路、高速开关电路和具有长引线的电源,则应选择大容量的电容。

2、去耦电容

有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件,以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。实际上,旁路电容和去耦电容都应该尽可能放在靠近电源输入处以帮助滤除高频噪声。

去耦电容的取值大约是旁路电容的1/100到1/1000。为了得到更好的EMC特性,去耦电容还应尽可能地靠近每个集成块(IC),因为布线阻抗将减小去耦电容的效力。陶瓷电容常被用来去耦,其值决定于最快信号的上升时间和下降时间。例如,对一个33MHz的时钟信号,可使用4.7nF到100nF的电容;对一个100MHz时钟信号, 可使用10nF 的电容。选择去耦电容时,除了考虑电容值外,ESR值也会影响去耦能力。为了去耦,应该选择ESR值低于1欧姆的电容。

3、电容谐振

接下来简单讨论一下如何根据谐振频率选择旁路电容和去耦电容的值。如图所示,电容在低于谐振频率时呈现容性,而后,电容将因为引线长度和布线白感呈现感性。表列出了两种陶瓷电容的谐振频率,一种具有标准的0. 25英寸的引脚和3.75nH的内部互连自感,另一种为表面贴装类型并具有1nH的内部自感。我们看到表面贴装类型的谐振频率是通孔插装类型的两倍。

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