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合理选择电容器来实现高性能的EMI滤波

作者: szkepuda 时间:2019-01-10 来源:未知
摘要:,包括表面贴装和引脚两种类型。讨论如何计算这些简单器件的和插入损耗之间的相互关系。文中还介绍了一些改进型规格的测试,如引线电感和低频电感,另外,还给出了等效电模型...

  ,包括表面贴装和引脚两种类型。讨论如何计算这些简单器件的和插入损耗之间的相互关系。文中还介绍了一些改进型规格的测试,如引线电感和低频电感,另外,还给出了等效电模型。这些模型都是根据测得的数据导出的,还介绍了相关的测试技术。针对不同的制造工艺,测试了这些寄生参数,并绘制出了相应的曲线。

  长期以来,一直使用旁和去耦电容来减小PCB上产生的各种噪声,也。由于成本相对较低,使用容易,还有一系列的量值可选用,电容器常常是电板上用来减小电磁干扰(EMI)的主要器件。由于寄生参数具有重要的影响,故电容器的选择要比其容量的选择更为重要。制造电容器的方法很多,制造工艺决定了寄生参数的大小。

  电气器噪声可以以许多不同的方式引起。在数字电中,这些噪声主要由开关式集成电,电源和调整器所产生,而在射频电中则主要由振荡器以及放大电产生。无论是电源和地平面上,还是信号线自身上的这些干扰都将会对系统的工作形成影响,另外还会产生辐射。

  本文将重点讨论多层陶瓷电容器,包括表面贴装和引脚两种类型。讨论如何计算这些简单器件的和插入损耗之间的相互关系。文中还介绍了一些改进型规格的测试,如引线电感和低频电感,另外,还给出了等效电模型。这些模型都是根据测得的数据导出的,还介绍了相关的测试技术。针对不同的制造工艺,测试了这些寄生参数,并绘制出了相应的曲线。

  所幸的是,电容器还算简单的器件。由于电容器是一个双端口器件,故仅有一种方法与传输线并接。不要将该器件看作一只电容器,更容易的方法是将其看作为一个模块。当其与传输线并联时,甚至可以将其视作为一个导纳模块(见图1)。

  有一些插入点可以来观察方程2。首先,对于一个高性能的陶瓷电容器来说,其相角在整个频段中都非常接近90,只有谐振点附近除外(见图2)。

  故该相角可以被忽略,并且在绝大多数的频谱上都能给出较好的结果。另一个很好的近似是当Z0?Z??时,方程3可以被进一步简化为:

  作为一个例子,表1中给出了对一只1000-pF的旁电容器测出的及由此计算出来的插入损耗。所有的插入损耗数据都基于50欧。如表中所给出,一旦电容器的开始增加到50欧,方程3将快速发生突变。

  该模型给出了适用于绝大多数表面贴装MLCC的正确曲线。记住电容值将随温度和直流偏置而变化。等效电阻(ESR)随温度、直流偏置和频率变化,而等效电感(ESL)却基本保持不变。对来说,也许最重要的部分是谐振点,因为这是衰减最大的频率。众所周知,计算谐振频率的公式是:

  对于各类表面贴装的不同封装的电感值,可以利用方程2中所描述的测量技术来计算。例如,如果系统中产生了800MHz的噪声,随后可以在PCB上将其定位到一个确定的区域。选择一个标称容量为39pF的电容,并将其安装到尽可能靠近产生噪声的地方,这对于减小EMI来说,将是最好的选择。减小矩形芯片电感的一个有效方式就是改进芯片纵长方向端头的设计。所选电容器的曲线所示。注意通过改变纵横比,寄生电感减小了大约50%,即从1200pH减小到600pH。这有效地偏移开了最大衰减点,故在利用这些器件来进行EMI滤波时只需牢记这一点。

  引脚电容相对于表面贴装电容器,除了增加了引脚之外,其他并没有什么不同。其等效模型与MLCC模型一样,除了增加了引脚所产生的电感之外,见图5。

  引脚所产生的电感对的影响如图6所示。一个很好的经验算法是,电板上每0.10的引脚长度将产生2.5nH的电感。就像低电感电容器将频率向高处偏移一样,引脚器件将频率往低端偏移。要实现最佳的EMI滤波,必须牢记这一点。

  更好的EMI防护器件是穿心电容器芯片。这是一个三端口表面贴装器件。图7所示的是穿心电容器的等效电。该结构在允许信号穿越器件的同时,利用电容将EMI噪声滤波到地。

  对于寄生参数来说,这种几何结构具有几个有趣的问题。首先,电容器的寄生电感要比具有等效电容的相当尺寸的片式电容器要小得多。可以测量穿心电容的寄生电感,大约为250pH。该相同的现象是在降低了电感的同时也降低了ESR(通道长度,通道长度,通道长度!)最后,穿通部分中电感的引入将增加衰减带宽。图8给出了一只100pF的穿心电容和一个等效的标准片式电容之间的插入损耗比较。

  该滤波器的等效电与穿心片式电容相似,不过圆盘式的形状具有更低的寄生电感。信号通道或穿越机箱或外壳的电源线上所用的滤波器对进入和输出的噪声都予以衰减。当系统内产生高频(500MHz)时,可以用圆盘式的穿心滤波器来隔离不同的系统(如模拟或数字系统),以便消除有害的干扰。

  不过,即便是再好的滤波方案也无决电板设计引起的问题。用长度过长,高的印刷线来连接电容器无疑将影响MLCC的谐振点。

  任何时候,如果可能的话,应该使用多层板,这样,无论是电源还是地平面都具有较大的面积,可以降低系统中所产生的EMI问题。

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