電磁干擾濾波電容器使用方法

　電容器是電路中最基本的元件之一，利用濾波電容濾除電路上的高頻干擾和對(duì)電源退耦是所有電路設(shè)計(jì)人員都熟悉的。但是，隨著電磁干擾問(wèn)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干擾時(shí)需要注意的事項(xiàng)。
　　
　　1電容引線(xiàn)的作用
　　
　　在用濾波電容抑制電磁干擾時(shí)，最容易忽視的問(wèn)題就是電容引線(xiàn)對(duì)濾波效果的影響。濾波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(hào)線(xiàn)與地線(xiàn)之間起到對(duì)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(duì)頑固的電磁噪聲束手無(wú)策。出現(xiàn)這種情況的一個(gè)原因是忽略了電容引線(xiàn)對(duì)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)。
　　
　　圖1 實(shí)際電容器的等效電路
　　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(duì)高頻噪聲的旁路作用減弱，甚至消失。
　　
　　濾波電容的諧振頻率由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(lèi)有關(guān)外，電容的引線(xiàn)長(zhǎng)度是一個(gè)十分重要的參數(shù)，引線(xiàn)越長(zhǎng)，則電感越大，電容的諧振頻率越低。因此在實(shí)際工程中，要使電容器的引線(xiàn)盡量短，電容器的正確安裝方法和不正確安裝方法如圖2所示。
　　
　　
　　
　　圖2 濾波電容的正確安裝方法與錯(cuò)誤安裝方法
　　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(duì)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(kāi)始隨頻率的升高而增加，因此對(duì)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(xiàn)長(zhǎng)度是1.6mm（你使用的電容的引線(xiàn)有這么短嗎？）。
　　
　　表1
　　
　　
　　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(guò)調(diào)整電容的容量，使諧振點(diǎn)剛好落在干擾頻率上。
　　
　　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(huì)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。不同介質(zhì)的電容器的溫度特性如圖2所示。
　　
　　
　　
　　
　　
　　圖 3 不同介質(zhì)電容器的溫度特性
　　從圖中可以看到，COG電容器的容量幾乎隨溫度沒(méi)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(huì)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(wèn)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)最高，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(huì)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(huì)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(huì)達(dá)不到預(yù)期的效果。
　　
　　
　　
　　圖4 電容器的電壓特性
　　綜合考慮溫度和電壓的影響時(shí)，電容的變化如圖4所示。
　　
　　
　　
　　圖5電容器的溫度/電壓特性