技術文章：電容器件在EMC中的分析與設計

在EMC設計過程中,電容器是應用最廣泛的器件,主要用于構成各種低通濾波器或用作去耦電容和旁路電容。通過實踐數(shù)據(jù):在EMC設計中,恰當選擇與使用電容,不僅可以解決許多EMC問題,還能充分體現(xiàn)比較好的效果及使用時比較方便的優(yōu)點。如果電容的選擇或者使用不當,則可能達不到預期的目的,甚至會惡化產品的EMC水平。

電容的自諧振

電容器是基本的濾波器件,在低通濾波器中作為旁路器件使用。利用它的阻抗隨頻率升高而降低的特性,可起到對高頻干擾旁路的作用。但是,在實際使用中一定要注意電容器的非理想性。

從理論上看,理想的電容容量越大,容抗就越小,濾波效果就越好。但是,電容器都存在等效串聯(lián)電感ESL,容量大的電容器一般等效串聯(lián)電感也大,而且等效串聯(lián)電感與電容本身呈串聯(lián)關系,于是串聯(lián)自諧振就產生了,等效串聯(lián)電感越大,自諧振頻率越低,對高頻噪聲的去耦效果也越差,甚至根本起不到去耦作用。元件的物理尺寸越大,同樣容值的電容器其自諧振點頻率越低。

實際電容器的電路模型及頻率阻抗特性如下圖所示,它是由等效電感ESL、電容和等效電阻ESR構成的串聯(lián)網絡。電感分量是由引線和電容結構所決定的,電阻是介質材料所固有的。電感分量是影響電容頻率特性的主要指標,因此在分析實際電容器的旁路作用時,用LC串聯(lián)網絡來等效。

電容器的等效電路及頻率阻抗特性

    如圖所示,在諧振頻率f0上,L和C將串聯(lián)諧振,此時整個回路的阻抗最低。在自諧振點以上的頻率,電容的阻抗隨感性的增加而增加,這時電容將不再起旁路和去耦的作用。因此,旁路和去耦受電容器的引線電感及電容和元器件間布線長度、通孔焊盤等的影響。

    2．電容對濾波特性的影響

   實際的電容器如上圖所示,當f0=1/(2π(LC)1/2)時,會發(fā)生串聯(lián)諧振,這時電容的阻抗最小,旁路效果最好。超過諧振點后,電容器的阻抗特性呈現(xiàn)電感的阻抗特性。隨著頻率的升高而增加,旁路效果開始變差。這時,作為旁路器件使用的電容器開始失去旁路的作用。

   理想電容的阻抗是隨著頻率的升高而降低,而實際電容的阻抗,在頻率較低時,呈現(xiàn)電容特性,即阻抗隨頻率的增加而降低,在某一點發(fā)生諧振,在這點電容的阻抗等于等效串聯(lián)電阻ESR。在諧振點以上,由于ESL的作用,電容阻抗隨著頻率的升高而增加,因此對高頻噪聲的旁路作用減弱,甚至消失。

電容的諧振頻率由ESL和C共同決定,電容值或電感值越大,諧振頻率越低,也就是電容的高頻濾波效果越差。ESL除了與電容器的種類有關外,電容的引線長度也是一個非常重要的參數(shù),引線越長,則電感越大,電容的諧振頻率越低。因此在實際的應用中,要使電容器件的引線盡量短,電容器的正確設計方法和不正確的連接方式如下圖所示。

濾波電容器正確與錯誤連接方式示意圖

根據(jù)LC電路串聯(lián)諧振的原理,諧振點不僅與電感有關,還與電容值有關,電容越大,諧振點越低。有許多的設計工程師認為電容器的容值越大,濾波效果越好,這是一種誤解。電容越大,對低頻干擾的旁路效果雖然好,但是由于電容在較低的頻率發(fā)生了諧振,阻抗開始隨著頻率的升高而增加,因此對高頻噪聲的旁路效果變差。

因此,在選擇電容器時,并非取決于電容值的大小,而是電容器的自諧振頻率,并與邏輯電路和所用的工作頻率相匹配。在自諧振頻率以下電容器表現(xiàn)為容性,在自諧振頻率以上電容器變?yōu)楦行浴．旊娙萜鞅憩F(xiàn)為感性時,實際上已經失去了電容應有的作用。在下表中顯示了兩種類型的瓷片電容的自諧振頻率。一種是帶有6．4mm引腳的,另一種是表貼0805封裝的。

電容器的自諧振頻率

電容值

電容的諧振頻率

插裝(6．4mm引線)

表面貼裝(0805封裝)

10pF

800MHz

1．6GHz

100pF

250MHz

500MHz

500pF

116MHz

225MHz

1000pF

80MHz

160MHz

0．01uF

25MHz

50MHz

0．1uF

8MHz

16MHz

1uF

2．5MHz

5MHz

注意:表中對于插件的寄生電感估算值L=3．75nH;0805封裝寄生電感估算L=1nH。

盡管從濾除高頻噪聲的角度看,不希望有電容諧振,但是電容的諧振并不總是有害的。當要濾除的噪聲頻率確定時,可以通過調整電容的容量,使諧振點剛好落在騷擾頻率上。

電磁兼容設計中使用的電容要求頻率盡量高,這樣才能夠在較寬的頻率范圍(10KHz～1GHz)內起到有效的濾波作用。提高諧振頻率的方法有兩種:一種是盡量縮短引線的長度;另一種是選用電感較小種類的電容器件。

在表中,以1uF電容為例,插裝(6．4mm引線)的高頻電容的諧振點為2．5MHz在諧振點其阻抗最小。其表面貼裝(0805封裝)的高頻電容的諧振點為5MHz在諧振點其阻抗最小。

通過上表的參考數(shù)據(jù),該類器件的引線過長時,其高頻下寄生參數(shù)會降低自身的諧振頻率,在進行高頻濾波時建議盡量采用貼裝器件。一個常用的做法是選擇參數(shù)相差100倍的電容進行并聯(lián),以保證在其較寬的頻段范圍內始終保持電容特性。  

但在實際應用時,由于電容放置時電容引腳及走線離數(shù)字芯片的距離差異會帶來不同的引線或走線電感,同時大的容量能起到儲能濾波的作用。因此,對于數(shù)字芯片做去耦設計,特別是攜帶豐富高次諧波的數(shù)字電源引腳,通常用大容量電容與0．1μF電容及0．1uF的多個同容值電容并聯(lián),有更好的效果。

表貼電容器的自諧振頻率相對較高,在實際應用中,它的連接線的等效串聯(lián)電感也會減小其原來的優(yōu)勢。表貼電容器有較高的自諧振頻率是因為小包裝尺寸的徑向和軸向的電容的引線電感較小。根據(jù)實際經驗,不同封裝尺寸的表貼電容,隨著封裝的引線電感的變化,它的自諧振頻率的變化在±(2～5)MHz之內。

插件的電容器只不過是表貼器件加上插腳引線的結果。對于典型的插件電容,它的等效串聯(lián)電感平均為2．5nH/2．54mm。表貼電容器的等效串聯(lián)電感平均為1nH。綜合以上所述,在使用去耦電容時電容的等效串聯(lián)電感時需要重點考慮的。表貼電容器比插件電容器高頻時有更好的效能,就是因為它的等效串聯(lián)電感很低。

既然等效的串聯(lián)電感是引起電容在自諧振頻率以上失去其應用的主要因素,那么在實際電路應用中,必須將PCB中電容的連接線電感包括過孔等影響因素都考慮進去。在某些電路,如果工作頻率很高,而且頻率要比電容在電路中呈現(xiàn)的自諧振頻率范圍高很多,那么就不能使用該電容。

比如,一個0．1uF的電容不適合給100MHz時鐘信號去濾波,而0．001uF電容在不考慮引線及過孔的電感情況下,就是一個很好的選擇。這是因為100MHz及其諧波已經超過了0．1uF電容的諧振頻率。

在實際應用中,一般選擇瓷片電容,超小型聚酯或聚苯乙烯薄膜電容也是可以的,它們的尺寸與瓷片電容相當。還有一種三端電容因為電容引線電感極小,它可以將小瓷片電容的頻率范圍從50MHz以下擴展到200MHz以上,這對抑制較高頻段的噪聲是很有用的。要在較高頻段或更高的頻段獲得更好的濾波效果,特別是保護屏蔽體不被穿透,必須使用饋通電容,這是三端電容的一種。

下圖分別是不同電容及容值的電容器的頻率阻抗關系圖,從圖中可以看出自諧振頻率點,可供參考。      常用陶瓷電容不同容值電容的頻率阻抗關系圖

常用插件不同容值的電容器件的頻率與阻抗關系圖

注:圖示中的寄生電感ESL為35nH,電容ESR為50mΩ。

常用表貼不同容值的電容器件的頻率與阻抗關系圖

注:圖示中的寄生電感為1nH,電容ESR為5mΩ。 穿心電容器件的頻率阻抗及插入損耗特性

三端電容與普通電容器件的插入損耗對比特性

PCB中電源層與地平面之間的分布電容是理想的平板電容,電流一律從一邊流入,從另一邊流出,電感幾乎為0。在這種情況下,平板電容在高頻時仍然表現(xiàn)為容性,因此在多層板PCB設計時,電源層與地層之間形成的平板電容對高頻數(shù)字電路的高頻去耦具有重要意義,PCB中電源層與地層之間形成的平板電容大小隨著電源層與地層之間距離的減小而增加,隨著電源層與地層面積的增大而增大。因此,在數(shù)字電路中增加的高頻電容與平板電容之間存在并聯(lián)關系,相當于電容器的并聯(lián)。這樣在電路中就會出現(xiàn)并聯(lián)電容的反共諧振點。