电容在电磁兼容设计中的应用技巧

    在EMC电磁兼容设计中，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。

    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Z L 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。Z s 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E MC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。