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電源退耦是所有電路設計人員都熟悉的。但是，隨著(zhù)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不到預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及使用電容器抑制電磁干擾時(shí)需要注意的事項。
　　
　　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)在信號線(xiàn)與地線(xiàn)之間起到對高頻噪聲的旁路作用。然而，在實(shí)際工程中，很多人發(fā)現這種方法并不能起到預期濾除噪聲的效果，面對頑固的電磁噪聲束手無(wú)策。出現這種情況的一個(gè)原因是忽略了電容引線(xiàn)對旁路效果的影響。
　　
　　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(zhù)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(zhù)頻率的升高而增加，這是電容呈現電感的阻抗特性。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(cháng)度是一個(gè)十分重要的參數，引線(xiàn)越長(cháng)，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誤安裝方法
　　根據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(cháng)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。當要濾除的噪聲頻率確定時(shí)，可以通過(guò)調整電容的容量，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)參數受到溫度變化的影響，因此電容器的電容值也隨著(zhù)溫度變化。不同的介質(zhì)隨著(zhù)溫度變化的規律不同，有些電容器的容量當溫度升高時(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)電容器有超穩定型：COG或NPO，穩定型：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變化70%以上。這些特性是必須注意的，否則會(huì )出現濾波器在高溫或低溫時(shí)性能變化而導致設備產(chǎn)生電磁兼容問(wèn)題。
　　
　　COG介質(zhì)雖然穩定，但介質(zhì)常數較低，一般在10～100，因此當體積較小時(shí)，容量較小。X7R的介質(zhì)常數高得多，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，但溫度穩定性很差，這會(huì )導致設備的溫度特性變差。這在選用電容器時(shí)要特別注意，尤其是在軍用設備中。
　　
　　3.電壓的影響
　　
　　電容器的電容量不僅隨著(zhù)溫度變化，還會(huì )隨著(zhù)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 )達不到預期的效果。
　　
　　
　　
　　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