基于EMC的普通電子元器件選擇
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時(shí)間：2012-05-09
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
我們經(jīng)?？梢钥吹?，在電源和地之間連接著去耦電容，它有三個(gè)方面的作用：一是作為本集成電路的蓄能電容；二是濾除該器件產(chǎn)生的高頻噪聲，切斷其通過(guò)供電回路進(jìn)行傳播的通路；三是防止電源攜帶的噪聲對(duì)電路構(gòu)成干擾。
影響去耦電容效率的因素是電容的介質(zhì)材料，生產(chǎn)去耦電容常用兩種材料，一種是鋇鈦氧體(Z5U)，另一種是鍶鈦氧體(NPO)，Z5U有更大的介電常數(shù)，它的諧振頻率從1MHz到20MHz，NPO的介電常數(shù)比較小，有較高的諧振頻率(超過(guò)10MHz)，所以Z5U更適合在低頻電路中做去耦電容，而NPO更適合在高頻電路中(超過(guò)50MHz)。
就理想狀態(tài)而言，旁路電容和去耦電容應(yīng)當(dāng)在電源入口的地方盡量靠近放在一起，來(lái)濾掉高頻噪聲，去耦電容的取值大約是旁路電容的1／100到1／1000，去耦電容應(yīng)當(dāng)盡可能靠近IC器件，因?yàn)閷?dǎo)線電阻會(huì)降低去耦電容的作用。陶瓷電容常常被用來(lái)起去耦作用，其取值取決于最快信號(hào)的上升／下降沿的時(shí)間。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于33MHz的時(shí)鐘頻率，使用4．7nF到100nf的去耦電容，對(duì)于100MHz的時(shí)鐘頻率，使用10nF。另一方面，電容的等效串聯(lián)電阻對(duì)信號(hào)有衰減作用，會(huì)影響電容的去耦作用，特別是工作頻率接近于電容的諧振頻率時(shí)。為了最佳的EMC性能，電容最好有很小的等效串聯(lián)電阻，所以最好選用等效串聯(lián)電阻小于1 Ω的電容。
電容在電路中的加入常常是為了提高抗EMI，但在不考慮電容的諧振頻率的情況下，濾波的性能并不是很好。理想電容的阻抗是隨著頻率的升高降低，而實(shí)際電容的阻抗不是這樣的，在頻率較低的時(shí)候，呈現(xiàn)電容特性，即阻抗隨頻率的增加而降低，在某一點(diǎn)發(fā)生諧振，在這點(diǎn)電容的阻抗等于等效串聯(lián)電阻ESR。在諧振點(diǎn)以上，由于ESR的作用，電容阻抗隨著頻率的升高而增加，這是電容呈現(xiàn)電感的阻抗特性。在諧振點(diǎn)以上，由于電容的阻抗增加，因此對(duì)高頻噪聲的旁路作用減弱，甚至消失。
我們?cè)谑褂眠^(guò)程中往往并聯(lián)使用去耦電容，這種做法可以減少更大頻寬的由電源引起的開(kāi)關(guān)噪聲。在抑制由有源器件開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的射頻電流方面，多個(gè)并行去耦電容可以提高6dB的作用。多個(gè)去耦電容不只是提供一個(gè)更大頻寬的分配，它們還可以提供更大的引線寬度來(lái)降低導(dǎo)線電感，更大的提升去耦作用。兩個(gè)并行電容的取值應(yīng)當(dāng)不同，相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)左右，比如說(shuō)0．1UF和0．01UF的兩個(gè)并行去耦電容，來(lái)獲得更好的去耦效應(yīng)。還要注意在數(shù)字電路的去耦中，低的ESR比諧振頻率更重要，因?yàn)榈偷腅SR提供一個(gè)到地的小電阻，可以提供充足的去耦作用，即使在超過(guò)諧振頻率時(shí)，電容等效于電感的時(shí)候。
3 電感的選擇
電感是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的連接器件，因?yàn)榭梢院痛艌?chǎng)相互影響固有的本性，所以電感比其他元器件更敏感。和電容一樣，當(dāng)我們恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用電感時(shí)，它可以解決許多EMC的問(wèn)題。
從封裝方面來(lái)看，電感相比電容或者電阻的好處是它沒(méi)有寄生感應(yīng)，所以插裝電感和貼裝電感幾乎沒(méi)有什么不同。
電感有兩種中心材料：鐵或鐵氧體。鐵中心材料電感一般用于低頻應(yīng)用中(幾十kHz)，而鐵氧體中心材料電感一般用于高頻(MHz)。因此，鐵氧體中心材料電感更適合用在EMC應(yīng)用中。由于鐵氧體在衰減較高頻的同時(shí)讓較低頻幾乎無(wú)阻礙地通過(guò)，故在EMI控制中得到了廣泛的應(yīng)用。用于EMI吸收的磁環(huán)／磁珠可制成各種的形狀，廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合。如在PCB板上，可加在DC／DC模塊、數(shù)據(jù)線、電源線等處。它吸收所在線路上的高頻干擾信號(hào)，卻不會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生新的零極點(diǎn)，不會(huì)破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它與電源濾波器配合使用，可很好地補(bǔ)充濾波器高頻端性能的不足，改善系統(tǒng)中濾波特性。
有兩種電感經(jīng)常用在EMC的應(yīng)用中，一個(gè)是ferrite beads(鐵氧體磁珠)，ferrite clamps(鐵氧體磁芯)。鐵氧體磁珠是一個(gè)簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)電感，有一個(gè)引線通過(guò)鐵氧體材料組成。在高頻方面提供10dB的衰減，在直流方面的衰減很小。鐵氧體磁芯和鐵氧體磁珠相似，在頻率超過(guò)MHz的區(qū)域提供10 dB到20dB的衰減，無(wú)論是在共模或差模模式下。電感經(jīng)常用在LC濾波或交流濾波中。
4 集成電路的選擇
現(xiàn)代的數(shù)字集成電路大多是基于CMOS技術(shù)制造的。CMOS器件的靜態(tài)功耗比較低，但是快速開(kāi)關(guān)CMOS器件需要從電源處有更多的瞬態(tài)功率分配。一個(gè)高速CMOS器件對(duì)電源的動(dòng)態(tài)要求可能會(huì)超過(guò)一個(gè)類似的Bipolar(TTL)器件。因此在這些器件旁邊需要使用去耦電容來(lái)減少對(duì)電源的瞬態(tài)需要。
對(duì)于組合邏輯電路，時(shí)鐘抖動(dòng)、電力線諧波可能會(huì)在使用不同種類的邏輯器件時(shí)產(chǎn)生，例如CMOS和TTL，這主要是因?yàn)樗鼈冇胁煌拈_(kāi)關(guān)門(mén)限。為了避免這種問(wèn)題，最好使用同類邏輯器件?，F(xiàn)在多數(shù)設(shè)計(jì)者選擇CMOS器件時(shí)因?yàn)樗鼈冇幸粋€(gè)很高的干擾極限。由于使用CMOS技術(shù)制造，CMOS邏輯器件是和微控制器接口的首選邏輯器件。很重要的一點(diǎn)是使用CMOS器件時(shí)，輸入腳位在不使用的時(shí)候應(yīng)當(dāng)接地或者接到電源，因?yàn)樵贛CU電路中，噪音干擾也會(huì)使這些沒(méi)有使用的輸入端口變得無(wú)規(guī)律的變化，有可能使MCU執(zhí)行不該執(zhí)行的代碼。
現(xiàn)在集成電路的封裝五花八門(mén)，但是總體而言，集成電路的引線越短，EMI的問(wèn)題就越少。所以表面貼裝的集成電路是EMC設(shè)計(jì)的最佳選擇，因?yàn)樗械偷募纳?yīng)和回路面積。更進(jìn)一步地提高PCB上直接使用芯片綁定的方法。
IC管腳的排列方法也會(huì)影響EMC的效能。將IC的電源供給線放在IC封裝的中央，可以獲得從芯片核到封裝管腳最短的引線長(zhǎng)度，也就具有更低的引線感應(yīng)系數(shù)，接近的VCC和IGND管腳可以使去耦電容更容易布局和作用更明顯。
在單板電路設(shè)計(jì)中或整個(gè)系統(tǒng)中，時(shí)鐘電路是影響EMC效能的主要因素之一。許多從IC而來(lái)的干擾都和時(shí)鐘頻率或者它的諧振分量有關(guān)。這就需要更好的電路設(shè)計(jì)和PCB Layout技術(shù)應(yīng)用在系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)中來(lái)減小這些干擾。良好的接地，充足的去耦電容和旁路電容都可以減小這些輻射。在CLOCK的分配上使用高阻抗的緩沖也可以減小從時(shí)鐘信號(hào)而來(lái)的反射和噪音干擾。
5 結(jié)束語(yǔ)
總之，電子元器件的選擇是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題，對(duì)于電路的設(shè)計(jì)者而言，不光是要考慮元器件的性能，元器件的質(zhì)量等級(jí)、EMC都已經(jīng)成為設(shè)計(jì)之初設(shè)計(jì)者必須考慮的問(wèn)題。本文主要介紹了在單板設(shè)計(jì)中通過(guò)選用合適的普通電子元器件來(lái)減少或抑制EMI的影響。對(duì)于設(shè)計(jì)者而言簡(jiǎn)單元器件如電阻、電容、電感的選擇是可以控制件，在電路中選擇合適的器件會(huì)對(duì)我們整個(gè)系統(tǒng)的EMC問(wèn)題打下良好的基礎(chǔ)。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/177310.htm
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