濾波電容器的EMC設(shè)計

電容引線的作用

在用電容抑制電磁騷擾時，最容易忽視的問題就是電容引線對濾波效果的影響。電容器的容抗與頻率成反比，正是利用這一特性，將電容并聯(lián)在信號線與地線之間起到對高頻噪聲的旁路作用。然而，在實際工程中，很多人發(fā)現(xiàn)這種方法并不能起到預(yù)期濾除噪聲的效果，面對頑固的電磁噪聲束手無策。出現(xiàn)這種情況的一個原因是忽略了電容引線對旁路效果的影響。

實際電容器的電路模型如圖1所示，它是由等效電感（ESL）、電容和等效電阻（ESR）構(gòu)成的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

理想電容的阻抗是隨著頻率的升高降低，而實際電容的阻抗是圖1所示的網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性，在頻率較低的時候，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，這是電容呈現(xiàn)電感的阻抗特性。在諧振點以上，由于電容的阻抗增加，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，則諧振頻率越低，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(guān)外，電容的引線長度是一個十分重要的參數(shù)，引線越長，則電感越大，電容的諧振頻率越低。因此在實際工程中，要使電容器的引線盡量短，電容器的正確安裝方法和不正確安裝方法如圖2所示。

根據(jù)LC電路串聯(lián)諧振的原理，諧振點不僅與電感有關(guān)，還與電容值有關(guān)，電容越大，諧振點越低。許多人認(rèn)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，阻抗開始隨頻率的升高而增加，因此對高頻噪聲的旁路效果變差。表1是不同容量瓷片電容器的自諧振頻率，電容的引線長度是1.6mm（你使用的電容的引線有這么短嗎？）。
表1

電容值 自諧振頻率（MHz） 電容值 自諧振頻率（MHz）

1m F 1.7 820 pF 38.5
0.1m F 4 680 pF 42.5
0.01m F 12.6 560 pF 45
3300pF 19.3 470 pF 49
1800 pF 25.5 390 pF 54
1100pF 33 330 pF 60

盡管從濾除高頻噪聲的角度看，電容的諧振是不希望的，但是電容的諧振并不是總是有害的。當(dāng)要濾除的噪聲頻率確定時，可以通過調(diào)整電容的容量，使諧振點剛好落在騷擾頻率上。

溫度的影響

由于電容器中的介質(zhì)參數(shù)受到溫度變化的影響，因此電容器的電容值也隨著溫度變化。不同的介質(zhì)隨著溫度變化的規(guī)律不同，有些電容器的容量當(dāng)溫度升高時會減小 70%以上，常用的濾波電容為瓷介質(zhì)電容，瓷介質(zhì)電容器有超穩(wěn)定型：COG或NPO，穩(wěn)定型：X7R，和通用型：Y5V或Z5U三種。不同介質(zhì)的電容器的溫度特性如圖2所示。

從圖中可以看到，COG電容器的容量幾乎隨溫度沒有變化，X7R電容器的容量在額定工作溫度范圍變化12%以下，Y5V電容器的容量在額定工作溫度范圍內(nèi)變化70%以上。這些特性是必須注意的，否則會出現(xiàn)濾波器在高溫或低溫時性能變化而導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生電磁兼容問題。

COG介質(zhì)雖然穩(wěn)定，但介質(zhì)常數(shù)較低，一般在10～100，因此當(dāng)體積較小時，容量較小。X7R的介質(zhì)常數(shù)高得多，為2000 ～ 4000，因此較小的體積能產(chǎn)生較大的電容，Y5V的介質(zhì)常數(shù)最高，為5000 ～ 25000。

許多人在選用電容器時，片面追求電容器的體積小，這種電容器的介質(zhì)雖然具有較高的介質(zhì)常數(shù)，但溫度穩(wěn)定性很差，這會導(dǎo)致設(shè)備的溫度特性變差。這在選用電容器時要特別注意，尤其是在軍用設(shè)備中。

電壓的影響

電容器的電容量不僅隨著溫度變化，還會隨著工作電壓變化，這一點在實際工程必須注意。不同介質(zhì)材料的電容器的電壓特性如圖3所示。從圖中可以看出，X7R 電容器在額定電壓狀態(tài)下，其容量降為原始值的70%，而Y5V電容器的容量降為原始值的30%！了解了這個特性，在選用電容時要在電壓或電容量上留出余量，否則在額定工作電壓狀態(tài)下，濾波器會達(dá)不到預(yù)期的效果。

綜合考慮溫度和電壓的影響時，電容的變化如圖4所示。

穿心電容的使用

在實際工程中，要濾除的電磁噪聲頻率往往高達(dá)數(shù)百MHz，甚至超過1GHz。對這樣高頻的電磁噪聲必須使用穿心電容才能有效地濾除。普通電容之所以不能有效地濾除高頻噪聲，是因為兩個原因，一個原因是電容引線電感造成電容諧振，對高頻信號呈現(xiàn)較大的阻抗，削弱了對高頻信號的旁路作用；另一個原因是導(dǎo)線之間的寄生電容使高頻信號發(fā)生耦合，降低了濾波效果，如圖5所示。

穿心電容之所以能有效地濾除高頻噪聲，是因為穿心電容不僅沒有引線電感造成電容諧振頻率過低的問題，而且穿心電容可以直接安裝在金屬面板上，利用金屬面板起到高頻隔離的作用。但是在使用穿心電容時，要注意的問題是安裝問題。穿心電容最大的弱點是怕高溫和溫度沖擊，這在將穿心電容往金屬面板上焊接時造成很大困難。許多電容在焊接過程中發(fā)生損壞。特別是當(dāng)需要將大量的穿心電容安裝在面板上時，只要有一個損壞，就很難修復(fù)，因為在將損壞的電容拆下時，會造成鄰近其它電容的損壞。