電磁干擾濾波電容器使用方法與作用

1、電磁干擾濾波電容器使用方法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(duì)電源解耦是所 有電路設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)需要注意的事 項(xiàng)。1 電容引線的作用在用電容抑制電磁騷擾時(shí)，最容易忽視的問題就是電容引線對(duì)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(hào)線與地線之間起到對(duì) 高頻噪聲的旁路作用。然而，在實(shí)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

2、，面對(duì)頑固的電磁噪聲束手無策。出現(xiàn)這種情況的一個(gè)原因是忽略了電容引 線對(duì)旁路效果的影響。實(shí)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)。圖 1 實(shí)際電容器的等效電路理想電容的阻抗是隨著頻率的升高降低，而實(shí)際電容的阻抗是圖1所示的網(wǎng)絡(luò)的阻 抗特性，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(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。電容的諧振頻率

3、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(gè)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(shí)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。圖2濾波電容的正確安裝方法與錯(cuò)誤安裝方法根據(jù)LC電路串聯(lián)諧振的原理，諧振點(diǎn)不僅與電感有關(guān)，還與電容值有關(guān)，電容越 大，諧振點(diǎn)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(duì)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(duì)高頻噪聲的

4、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）1 F1.7820 pF38.50.1 F4680 pF42.50.01 F12.6560 pF453300pF19.3470 pF491800 pF25.5390 pF541100pF33330 pF60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(shí)，可以通過調(diào)整電容的容量，使諧振點(diǎn)剛好落在 騷擾頻率上。2.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

5、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(shí)會(huì)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。圖 3 不同介質(zhì)電容器的溫度特性從圖中可以看到，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(huì)出現(xiàn)濾波器在高溫或低溫時(shí)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

6、，一般在 10100,因此當(dāng)體積較小時(shí)，容量 較小。X7R的介質(zhì)常數(shù)高得多，為20004000，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500025000。許多人在選用電容器時(shí)，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(huì)導(dǎo)致設(shè)備的溫度特性變差。這在選用電容器時(shí) 要特別注意，尤其是在軍用設(shè)備中。3.電壓的影響電容器的電容量不僅隨著溫度變化，還會(huì)隨著工作電壓變化，這一點(diǎn)在實(shí)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%，而丫5V電容器的容量降為原始值的3

7、0%! 了解了這個(gè)特性，在選用電容時(shí)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(huì)達(dá)不到預(yù)期的效果。圖4 電容器的電壓特性綜合考慮溫度和電壓的影響時(shí)，電容的變化如圖 4所示。圖 5 電容器的溫度 / 電壓特性5.穿心電容的使用在實(shí)際工程中，要濾除的電磁噪聲頻率往往高達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz，甚至超過1GHz。對(duì)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?yàn)閮蓚€(gè)原因，一個(gè)原因是電容引線電感造成電容諧振，對(duì)高頻信號(hào)呈現(xiàn) 較大的阻抗，削弱了對(duì)高頻信號(hào)的旁路作用；另一個(gè)原因是導(dǎo)線之間的寄生電容使高頻 信號(hào)發(fā)生耦合，降低了濾波效果，如圖 5 所示。

8、圖6 普通電容在高頻濾波中的問題穿心電容之所以能有效地濾除高頻噪聲，是因?yàn)榇┬碾娙莶粌H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(shí)，要注意的問題是安裝問題。穿心電容最大的 弱點(diǎn)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(shí)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(shí)，只要有一 個(gè)損壞，就很難修復(fù)，因?yàn)樵趯p壞的電容拆下時(shí)，會(huì)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(qiáng)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(huì)造成隔離失效。當(dāng)不同電路模塊之間有大量的聯(lián)線時(shí)，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(gè)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(jià)格往 往較高，每針的價(jià)格約 30 元。1999年，北京天亦通公司開發(fā)成功了 T