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如何選擇電容器實現高性能的EMI濾波

長期以來，一直使用旁路和去耦電容來減小PCB上產生的各種噪聲，也。由于成本相對較低，使用容易，還有一系列的量值可選用，電容器常常是電路板上用來減小電磁干擾(EMI)的主要器件。由于寄生參數具有重要的影響，故電容器的選擇要比其容量的選擇更為重要。制造電容器的方法很多，制造工藝決定了寄生參數的大小。

電氣器噪聲可以以許多不同的方式引起。在數字電路中，這些噪聲主要由開關式集成電路，電源和調整器所產生，而在射頻電路中則主要由振蕩器以及放大電路產生。無論是電源和地平面上，還是信號線自身上的這些干擾都將會對系統的工作形成影響，另外還會產生輻射。

本文將重點討論多層陶瓷電容器，包括表面貼裝和引腳兩種類型。討論如何計算這些簡單器件的阻抗和插入損耗之間的相互關系。文中還介紹了一些改進型規格的測試，如引線電感和低頻電感，另外，還給出了等效電路模型。這些模型都是根據測得的數據導出的，還介紹了相關的測試技術。針對不同的制造工藝，測試了這些寄生參數，并繪制出了相應的阻抗曲線。

阻抗和插入損耗

所幸的是，電容器還算簡單的器件。由于電容器是一個雙端口器件，故僅有一種方法與傳輸線并接。不要將該器件看作一只電容器，更容易的方法是將其看作為一個阻抗模塊。當其與傳輸線并聯時，甚至可以將其視作為一個導納模塊(見圖1)。

圖1：將電容器視作為阻抗模塊。

這種連接方式的ABCD參數可以表示為：

 

然后，利用ABCD參數和散射(S)參數之間的關系，可以得到插入損耗S21的幅度為：

 

式中，Z??=阻抗幅度

 

Z0=傳輸線阻抗

 

??=阻抗模塊的相角

 

有一些插入點可以來觀察方程2。首先，對于一個高性能的陶瓷電容器來說，其相角在整個頻段中都非常接近±90°，只有諧振點附近除外(見圖2)。

 

圖2：1000-pF陶瓷電容器的典型阻抗幅相特性。

 

已知±90°的余弦接近0，故方程2可以被簡化為：

 

故該相角可以被忽略，并且在絕大多數的頻譜上都能給出較好的結果。另一個很好的近似是當Z0>>?Z??時，方程3可以被進一步簡化為：

 

作為一個例子，表1中給出了對一只1000-pF的旁路電容器測出的阻抗及由此計算出來的插入損耗。所有的插入損耗數據都基于50歐阻抗。如表中所給出，一旦電容器的阻抗開始增加到50歐，方程3將快速發生突變。

 

表1：1000-pF旁路電容器的阻抗和求得的插入損耗。

 

這些方程中的唯一問題就是需要知道一系列不同電容值的阻抗。

多層陶瓷電容器(MLCC)串聯模型

對于MLCC電容器來說，最簡單的(當然也是最有效的)模型是串聯模型(見圖3)。

 

圖3：陶瓷電容器的等效串聯模型。

 

該模型給出了適用于絕大多數表面貼裝MLCC的正確阻抗曲線。記住電容值將隨溫度和直流偏置而變化。等效串聯電阻(ESR)隨溫度、直流偏置和頻率變化，而等效串聯電感(ESL)卻基本保持不變。對阻抗來說，也許最重要的部分是諧振點，因為這是衰減最大的頻率。眾所周知，計算諧振頻率的公式是：

 

對于各類表面貼裝的不同封裝的電感值，可以利用方程2中所描述的測量技術來計算。例如，如果系統中產生了800MHz的噪聲，隨后可以在PCB上將其定位到一個確定的區域。選擇一個標稱容量為39pF的電容，并將其安裝到盡可能靠近產生噪聲的地方，這對于減小EMI來說，將是最好的選擇。減小矩形芯片電感的一個有效方式就是改進芯片縱長方向端頭的設計。所選電容器的阻抗曲線如圖4所示。注意通過改變縱橫比，寄生電感減小了大約50%，即從1200pH減小到600pH。這有效地偏移開了最大衰減點，故在利用這些器件來進行EMI濾波時只需牢記這一點。

 

圖4：兩只0.1?μF電容器的阻抗曲線比較。

 

低電感電容的最大優點體現在數字電路退耦中。利用如下簡單的電感方程：

 

利用低電感芯片來降低電感，可以減小集成電路中開關時所產生的總電壓噪聲。

引腳電容器

引腳電容相對于表面貼裝電容器，除了增加了引腳之外，其他并沒有什么不同。其等效模型與MLCC模型一樣，除了增加了引腳所產生的電感之外，見圖5。

 

圖5：引腳電容器的等效模型。

 

引腳所產生的電感對阻抗的影響如圖6所示。一個很好的經驗算法是，電路板上每0.10″的引腳長度將產生2.5nH的電感。就像低電感電容器將頻率向高處偏移一樣，引腳器件將頻率往低端偏移。要實現最佳的EMI濾波，必須牢記這一點。

 

圖6；引腳長度對0.1?μF電容器的影響。

穿心電容器

更好的EMI防護器件是穿心電容器芯片。這是一個三端口表面貼裝器件。圖7所示的是穿心電容器的等效電路。該結構在允許信號穿越器件的同時，利用電容將?EMI噪聲濾波到地。

 

圖7：穿心電容器的等效電路。

 

對于寄生參數來說，這種幾何結構具有幾個有趣的問題。首先，電容器的寄生電感要比具有等效電容的相當尺寸的片式電容器要小得多。可以測量穿心電容的寄生電感，大約為250pH。該相同的現象是在降低了電感的同時也降低了ESR(通道長度，通道長度，通道長度！)最后，穿通部分中電感的引入將增加衰減帶寬。圖8給出了一只100pF的穿心電容和一個等效的標準片式電容之間的插入損耗比較。

 

圖8：100-pF穿心電容和100-pF串聯模型雙端口?MLCC之間的比較。

 

這里所討論的表面貼裝器件與傳統的穿墻安裝的、采用圓盤式電容的穿心濾波器有直接關系。

 

該濾波器的等效電路與穿心片式電容相似，不過圓盤式的形狀具有更低的寄生電感。信號通道或穿越機箱或外殼的電源線上所用的濾波器對進入和輸出的噪聲都予以衰減。當系統內產生高頻(>500MHz)時，可以用圓盤式的穿心濾波器來隔離不同的系統(如模擬或數字系統)，以便消除有害的干擾。

 

不過，即便是再好的濾波方案也無法解決電路板設計低劣引起的問題。用長度過長，高感應的印刷線來連接電容器無疑將影響MLCC的諧振點。

 

如果將全頻段的所有噪聲都并聯入地，則地平面就好像一個天線，將會導致強輻射問題。

 

任何時候，如果可能的話，應該使用多層板，這樣，無論是電源還是地平面都具有較大的面積，可以降低系統中所產生的EMI問題。