中心論題:
- 電磁干擾濾波電容器的使用方法。
- 電容引線的作用。
- 電容器中的介質(zhì)參數(shù)受到溫度變化的影響。
- 電容器的電容量隨工作電壓變化。
- 使用穿心電容才能有效地濾除高頻率電磁噪聲。
- 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。
- 選用電容時要在電壓或電容量上留出余量解決電壓影響。
- 用金屬隔離艙將不同性質(zhì)的電路隔離開避免相互騷擾。
電容器是電路中最基本的元件之一,利用電容濾除電路上的高頻騷擾和對電源解耦是所有電路設(shè)計人員都熟悉的。但是,隨著電磁干擾問題的日益突出,特別是干擾頻率的日益提高,由于不了解電容的基本特性而達(dá)不到預(yù)期濾波效果的事情時有發(fā)生。本文介紹一些容易被忽略的影響電容濾波性能的參數(shù)及使用電容器抑制電磁騷擾時需要注意的事項。
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。
隨著電子設(shè)備復(fù)雜程度的提高,設(shè)備內(nèi)部強弱電混合安裝、數(shù)字邏輯電路混合安裝的情況越來越多,電路模塊之間的相互騷擾成為嚴(yán)重的問題。解決這種電路模塊相互騷擾的方法之一是用金屬隔離艙將不同性質(zhì)的電路隔離開。但是所有穿過隔離艙的導(dǎo)線要通過穿心電容,否則會造成隔離失效。當(dāng)不同電路模塊之間有大量的聯(lián)線時,在隔離艙上安裝大量的穿心電容是十分困難的事情。為了解決這個問題,國外許多廠商開發(fā)了“濾波陣列板”,這是用特殊工藝事先將穿心電容焊接在一塊金屬板構(gòu)成的器件,使用濾波陣列板能夠輕而易舉地解決大量導(dǎo)線穿過金屬面板的問題。但是這種濾波陣列板的價格往往較高,每針的價格約30元。