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電磁干擾濾波電容器使用方法

來源: 深圳市源恒通科技有限公司    2014年12月04日 02:26  

電容器是電路中zui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(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),zui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(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,面對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)。

  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(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。
  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(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。

  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(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,一般在10~100 ,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)zui高,為5000~ 25000. 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Y5V
電容器的容量降為原始值的30% !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,濾波器會達(dá)不到預(yù)期的效果。

  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(gè)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。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zui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
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TLZ – 1系列濾波陣列板(申請中)。
這種濾波陣列板的濾波性能接近國外產(chǎn)品,但價(jià)格僅為國外產(chǎn)品的1/10以下。TLZ
– 1系列濾波陣列板的密度是標(biāo)準(zhǔn)2.54mm,可以直接與扁平電纜插座配合,便于
安裝,可廣泛用于電子設(shè)備的濾波隔離。

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