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如何選擇電容器實(shí)現(xiàn)高性能的EMI濾波

長(zhǎng)期以來(lái)，一直使用旁路和去耦電容來(lái)減小PCB上產(chǎn)生的各種噪聲，也。由于成本相對(duì)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(lái)減小電磁干擾(EMI)的主要器件。由于寄生參數(shù)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(shù)的大小。

電氣器噪聲可以以許多不同的方式引起。在數(shù)字電路中，這些噪聲主要由開(kāi)關(guān)式集成電路，電源和調(diào)整器所產(chǎn)生，而在射頻電路中則主要由振蕩器以及放大電路產(chǎn)生。無(wú)論是電源和地平面上，還是信號(hào)線自身上的這些干擾都將會(huì)對(duì)系統(tǒng)的工作形成影響，另外還會(huì)產(chǎn)生輻射。

本文將重點(diǎn)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(jì)算這些簡(jiǎn)單器件的阻抗和插入損耗之間的相互關(guān)系。文中還介紹了一些改進(jìn)型規(guī)格的測(cè)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(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)導(dǎo)出的，還介紹了相關(guān)的測(cè)試技術(shù)。針對(duì)不同的制造工藝，測(cè)試了這些寄生參數(shù)，并繪制出了相應(yīng)的阻抗曲線。

阻抗和插入損耗

所幸的是，電容器還算簡(jiǎn)單的器件。由于電容器是一個(gè)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(gè)阻抗模塊。當(dāng)其與傳輸線并聯(lián)時(shí)，甚至可以將其視作為一個(gè)導(dǎo)納模塊(見(jiàn)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(shù)可以表示為：

 

然后，利用ABCD參數(shù)和散射(S)參數(shù)之間的關(guān)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(diǎn)可以來(lái)觀察方程2。首先，對(duì)于一個(gè)高性能的陶瓷電容器來(lái)說(shuō)，其相角在整個(gè)頻段中都非常接近±90°，只有諧振點(diǎn)附近除外(見(jiàn)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(jiǎn)化為：

 

故該相角可以被忽略，并且在絕大多數(shù)的頻譜上都能給出較好的結(jié)果。另一個(gè)很好的近似是當(dāng)Z0>>?Z??時(shí)，方程3可以被進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

 

作為一個(gè)例子，表1中給出了對(duì)一只1000-pF的旁路電容器測(cè)出的阻抗及由此計(jì)算出來(lái)的插入損耗。所有的插入損耗數(shù)據(jù)都基于50歐阻抗。如表中所給出，一旦電容器的阻抗開(kāi)始增加到50歐，方程3將快速發(fā)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(wèn)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(lián)模型

對(duì)于MLCC電容器來(lái)說(shuō)，最簡(jiǎn)單的(當(dāng)然也是最有效的)模型是串聯(lián)模型(見(jiàn)圖3)。

 

圖3：陶瓷電容器的等效串聯(lián)模型。

 

該模型給出了適用于絕大多數(shù)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(lián)電阻(ESR)隨溫度、直流偏置和頻率變化，而等效串聯(lián)電感(ESL)卻基本保持不變。對(duì)阻抗來(lái)說(shuō)，也許最重要的部分是諧振點(diǎn)，因?yàn)檫@是衰減最大的頻率。眾所周知，計(jì)算諧振頻率的公式是：

 

對(duì)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(cè)量技術(shù)來(lái)計(jì)算。例如，如果系統(tǒng)中產(chǎn)生了800MHz的噪聲，隨后可以在PCB上將其定位到一個(gè)確定的區(qū)域。選擇一個(gè)標(biāo)稱容量為39pF的電容，并將其安裝到盡可能靠近產(chǎn)生噪聲的地方，這對(duì)于減小EMI來(lái)說(shuō)，將是最好的選擇。減小矩形芯片電感的一個(gè)有效方式就是改進(jìn)芯片縱長(zhǎng)方向端頭的設(shè)計(jì)。所選電容器的阻抗曲線如圖4所示。注意通過(guò)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(kāi)了最大衰減點(diǎn)，故在利用這些器件來(lái)進(jìn)行EMI濾波時(shí)只需牢記這一點(diǎn)。

 

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(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在數(shù)字電路退耦中。利用如下簡(jiǎn)單的電感方程：

 

利用低電感芯片來(lái)降低電感，可以減小集成電路中開(kāi)關(guān)時(shí)所產(chǎn)生的總電壓噪聲。

引腳電容器

引腳電容相對(duì)于表面貼裝電容器，除了增加了引腳之外，其他并沒(méi)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(chǎn)生的電感之外，見(jiàn)圖5。

 

圖5：引腳電容器的等效模型。

 

引腳所產(chǎn)生的電感對(duì)阻抗的影響如圖6所示。一個(gè)很好的經(jīng)驗(yàn)算法是，電路板上每0.10″的引腳長(zhǎng)度將產(chǎn)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(shí)現(xiàn)最佳的EMI濾波，必須牢記這一點(diǎn)。

 

圖6；引腳長(zhǎng)度對(duì)0.1?μF電容器的影響。

穿心電容器

更好的EMI防護(hù)器件是穿心電容器芯片。這是一個(gè)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(jié)構(gòu)在允許信號(hào)穿越器件的同時(shí)，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(duì)于寄生參數(shù)來(lái)說(shuō)，這種幾何結(jié)構(gòu)具有幾個(gè)有趣的問(wèn)題。首先，電容器的寄生電感要比具有等效電容的相當(dāng)尺寸的片式電容器要小得多。可以測(cè)量穿心電容的寄生電感，大約為250pH。該相同的現(xiàn)象是在降低了電感的同時(shí)也降低了ESR(通道長(zhǎng)度，通道長(zhǎng)度，通道長(zhǎng)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(gè)等效的標(biāo)準(zhǔn)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(lián)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(tǒng)的穿墻安裝的、采用圓盤(pán)式電容的穿心濾波器有直接關(guān)系。

 

該濾波器的等效電路與穿心片式電容相似，不過(guò)圓盤(pán)式的形狀具有更低的寄生電感。信號(hào)通道或穿越機(jī)箱或外殼的電源線上所用的濾波器對(duì)進(jìn)入和輸出的噪聲都予以衰減。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生高頻(>500MHz)時(shí)，可以用圓盤(pán)式的穿心濾波器來(lái)隔離不同的系統(tǒng)(如模擬或數(shù)字系統(tǒng))，以便消除有害的干擾。

 

不過(guò)，即便是再好的濾波方案也無(wú)法解決電路板設(shè)計(jì)低劣引起的問(wèn)題。用長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，高感應(yīng)的印刷線來(lái)連接電容器無(wú)疑將影響MLCC的諧振點(diǎn)。

 

如果將全頻段的所有噪聲都并聯(lián)入地，則地平面就好像一個(gè)天線，將會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)輻射問(wèn)題。

 

任何時(shí)候，如果可能的話，應(yīng)該使用多層板，這樣，無(wú)論是電源還是地平面都具有較大的面積，可以降低系統(tǒng)中所產(chǎn)生的EMI問(wèn)題。