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          如何選擇電容器實現(xiàn)高性能的EMI濾波

          作者: 時間:2013-06-17 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
          長期以來,一直使用旁路和去耦電容來減小PCB上產(chǎn)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,常常是電路板上用來減小電磁干擾()的主要器件。由于寄生參數(shù)具有重要的影響,故的選擇要比其容量的選擇更為重要。制造的方法很多,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(tǒng)的工作形成影響,另外還會產(chǎn)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(guān)系。文中還介紹了一些改進型規(guī)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(jù)測得的數(shù)據(jù)導(dǎo)出的,還介紹了相關(guān)的測試技術(shù)。針對不同的制造工藝,測試了這些寄生參數(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(dāng)其與傳輸線并聯(lián)時,甚至可以將其視作為一個導(dǎo)納模塊(見圖1)。

          如何選擇電容器實現(xiàn)高性能的EMI濾波

          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:

          如何選擇電容器實現(xiàn)高性能的EMI濾波
          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:

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          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)。

          如何選擇電容器實現(xiàn)高性能的EMI濾波

          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:

          如何選擇電容器實現(xiàn)高性能的EMI濾波
          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。另一個很好的近似是當(dāng)Z0>>?Z??時,方程3可以被進一步簡化為:

          如何選擇電容器實現(xiàn)高性能的EMI濾波
          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(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始增加到50歐,方程3將快速發(fā)生突變。

          如何選擇電容器實現(xiàn)高性能的EMI濾波

          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(lián)模型

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

          如何選擇電容器實現(xiàn)高性能的EMI濾波

          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:

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          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(shù)來計算。例如,如果系統(tǒng)中產(chǎn)生了800MHz的噪聲,隨后可以在PCB上將其定位到一個確定的區(qū)域。選擇一個標(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,這對于減小來說,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(shè)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時只需牢記這一點。

          如何選擇電容器實現(xiàn)高性能的EMI濾波

          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)點體現(xiàn)在數(shù)字電路退耦中。利用如下簡單的電感方程:

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          利用低電感芯片來降低電感,可以減小集成電路中開關(guān)時所產(chǎn)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(chǎn)生的電感之外,見圖5。

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