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技术分析:电容器件在EMC中的分析与设计

1.电容器的并联

有效的容性去耦是通过在PCB上适当位置放置电容器来实现的。在实际应用中,两个电容并联使用能提供更宽的抑制带宽。

不同容值电容并联克服非理想特性

 如上图所示,采用一个大电容和一个小电容比如0.1uF和100pF两个去耦电容单独使用和并联使用的曲线。由图可知,当不同电容器并联使用时,出现了一个例外的情况。假如,0.1uF电容器的自谐振频率为15MHz,100pF电容的自谐振频率是150MHz。在100MHz以上,并联电容的结合阻抗有一个很大的上升,那是因为在100MHz以上,0.1uF电容变成了感性,而100pF电容仍为容性,这样在这个频率频率范围内形成了一个并联谐振LC电路。

不同容值并联电容的谐振

如上图所示,采用两个不同电容并联时,在谐振时既有电感也有电容,因此会有一个反共谐振点,在这些谐振点周围,并联电容表现的阻抗要大于它们单个使用时的阻抗,如果在这个点附近要满足EMI要求,这就是一个不合适的位置。因此,两个并联电容必须要有不同的数量级。比如0.1uF和0.001uF或者容值相差100倍以上的关系,可以达到最佳的效果。容值相差100倍以上是为了让反共谐振频率范围变得更窄一些。

为了优化并联去耦的效果,也需要减小电容内的引线电感。同时,当电容装到PCB上时会有一定值得走线电感存在。注:这个线长包括连接电容器到平面的过孔的长度。并联去耦电容的PCB走线越短,去耦效果就越好。

另外,两个相同容值的电容器并联也可以提高去耦的效果和频率,这是因为电容器并联后等效的串联电阻ESR和等效串联电感ESL减小,对于多个同样同样值的电容器比如数量为n,采用并联方式使用后,等效电容变为n·C,等效电感变为L/n,等效电阻变为R/n,但谐振频率不变。同时,从能量的角度考虑,多个电容器的并联能向被去耦的器件提供更多的能量。

在使用并联电容器的应用时注意:

1)采用相同值的并联电容器将增加净电容,降低ESL和ESR。减少ESL和ESR是最重要的性质。好的设计,噪声优化会达到6dB的改进(用多个较小的电容器取代一个电容器)。

2)如果电容值是不同的,反共振频率点将会发生。进行设计选择电容值时,使反共振不会发生在产生的信号的谐波,即开关或过渡频率点。

2.电容受温度的影响

   由于电容中的介质参数受到温度变化的影响,因此电容器的电容值也随着温度变化。不同介质随温度变化的规律不同,有些电容器的容量当温度升高时会减小70%以上,常用的滤波电容为瓷介质电容,瓷介质电容器有超稳定型,比如COG或NPO;稳定型,比如X7R;通用型,比如Y5V或Z5U共三种。不同介质的电容器的温度特性如下图所示。

不同介质电容器的温度特性

如图所示,COG电容器的容量几乎随温度没有变化,X7R电容器的容量在额定工作温度范围变化在12%以下,Y5V电容器的容量在额定工作温度范围内变化70%以上。这些特性是需要注意的,否则会出现滤波性能在高温或低温时性能变化而导致产品及设备产生电磁兼容问题。

COG介质虽然稳定,但介质常数较低,一般为10~100,因此当体积较小时,容量较小。X7R的介质常数高很多,为2000~4000,因此较小的体积也能产生较大的电容,Y5V的介质常数最高,为5000~25000。

在设计应用时,设计工程师通常选用电容器时,片面追求电容器的体积小,这种电容器的介质虽然具有较高的介质常数,但温度稳定性会很差,从而导致产品及设备温度特性变差。这在选用电容器时要特别注意,特别是在军用设备中。

3.电容受电压的影响

电容器的电容量不仅随着温度变化,还会随着工作电压变化,这一点在实际

电路设计应用中也要注意。不同介质材料的电容器的电压特性如下图所示。

电容器的电压特性

如图所示,X7R电容器在额定电压状态下,其容量降为原始值的70%,而Y5V电容器的容量降为原始值的30%。了解这个特性后,在选用电容时要在电压或电容容量上留出余量,否则在额定工作电压状态下,滤波器会达不到预期的效果。

综合考虑温度和电压的影响时,电容的变化如下图所示。

电容器件的温度/电压特性

电容器的本体外表面上通常会标示出电容容量值,称为电容器的标称容量。标称容量与实际容量之间的偏差与标称容量之比的百分数称为电容器件的允许误差。常用电容器件的允许误差有±0.5%、±1%、±5%、±10%、±20%。

电容器在使用时,允许加在其两端的最大电压值称为工作电压,也称为耐压或额定工作电压。使用时,外加电压最大值一定要小于电容器件的额定工作电压,通常推荐外加电压应在额定工作电压的2/3以下。

   电容器的绝缘电阻表征电容器的漏电性能,在数值上等于加在电容器两端的电压除以漏电流,绝缘电阻越大,漏电流越小,电容器件质量越好。品质优良的电容器件具有较高的绝缘电阻,一般在兆欧级别以上。电解电容器的绝缘电阻一般比较低,漏电流较大。

    注意:电容器件产生的干扰噪声问题。当电容器件使用不当会造成噪声源。比如电解电容器件用作电源滤波或脉冲耦合电容。在处理微小信号的电路中,这些电容会因为漏电或其它原因比如温度变化,而形成新的噪声源。再比如,在开关电源中的高压MOSFET器件等输入阻抗电路的旁路电容,若容量发生变化,也会产生噪声。

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