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高速电路的电容应用研究
高速电路的电容应用研究
姓名郭峰
学号104972092620
院系信息工程学院
专业物理电子学
班级0901班
高速电路的电容应用研究
摘要：
在高速电路设计中应充分考虑电磁兼容方面的问题,合理地使用电容在电磁兼容防止电磁干扰中具有重要作用。
本文就滤波电容、去耦电容的容量及其具体应用作了较为全面、详细的叙述，同时还介绍了电容的一些实用方法和技巧。
关键词：
去耦电容；PCB板；电磁兼容
Abstract:
EMCproblemsshouldbeconsideredinthedesignofhigh-speedcircuitsandthereasonableapplitcationoffiltercapacitoranddecouplingcapacitorplaysaveryimportantroleinavoidingEMI.Theeffect,capacity,theoryandsomepracticalapplicationofdecouplingcapacitorsareanalyzed.Thedesignofenhancingcapacitorsisdiscussed.
Keywords:
decouplingcapacitor;PCB;EMC
在EMC设计中,电容是应用最广泛的元件之一,主要用于构成各种低通滤波器或用作去耦电容和旁路电容。
大量实践表明:
在EMC设计中,恰当选择与使用电容,不仅可解决许多EMI问题,而且能充分体现效果良好、价格低廉、使用方便的优点。
若电容的选择或使用不当,则可能根本达不到预期的目的,甚至会加剧EMI程度。
本文主要讨论的是在PCB板设计中如何合理地使用滤波电容和去耦电容的问题。
第一章：
滤波电容
1滤波电容
滤波电容器是电能变换装置的主要器件，主要用来抑制装置输入端的脉动电压、减小开关器件的电应力和输出纹波。
在大功率高频变换器中，由于输入电压为动力电网电压，一方面三相整流后要求滤除脉动电压的滤波电容器容量至少为数千微法才能保证对工频脉动电流有较低的容抗，起到较好的滤波效果；另一方面在整流时，每个电源周期中均有段时间需要滤波电容器为负载提供电能，而且其压降不能过大，这也需要有较大的电容量。
实际的电容器可看作是Res，Les和理想电容的串联组合。
铝电解电容的Res较大，一般为数十毫欧到十几欧。
当该电容用在工频电路进行滤波时，Les的作用可忽略不计，电容呈现出较理想的容抗特性；但当电路频率上升至约10kHz时，Les的作用不能被忽略，电容开始呈现感性，此时Res分担大部分电容电压，电容器相当于一个纯电阻。
大功率高频变换器的工作频率范围通常为20～40kHz，该工况下，有大量高频纹波电流流过铝电解电容，使其发热严重，电容温升轻易就会超过厂家所限定的最大允许温升，其寿命大大缩短，故需要经常更换。
2滤波电容工作状态分析
大功率高频变换器主要采用全桥电路拓扑，通过LC滤波器提供母线直流，如图1所示。
图1全桥电路拓扑
在所研制的30kW，20kHz高频电源中，输入滤波电容器采用两个HCGF5A型2200μF/450V标称的铝电解电容串联，它在85℃时的最大允许温升为10℃，其基本等效电路如图2所示。
图2铝电解电容基本等效电路
输入滤波电容器工作状态分析如下：
（1）输入电压U1为动力电网电压经桥式整流后的直流电压，其波形为每周期6个波头的正弦波包络线，脉动频率300Hz。
假定不考虑高频变换影响，电容充放电电流频率为毫秒级，其温升在最大允许温升内，且抑制纹波效果较好，满足正常使用要求。
（2）全桥电路开关频率为20kHz，C1中电流的实测波形如图3所示。
可见，流过C1的电流频率达到了40kHz，是开关频率的2倍，远超过工频段范围，C1充放电电流频率为微秒级，其峰值也高达200A，C1的Res上能量损耗巨大，寿命极低；并且由于电流在Res上压降较大，表现为直流母线处纹波电压得不到抑制，不能满足变换器对滤波电容的功能要求。
C1的实测温升情况见表1。
（a）C1中电流的实测波形（b）C1中电流的实测放大波形
图3C1中电流的实际波形
表1时间-温升情况记录表
当HCGF5A电容达到108℃时，电容出现爆裂现象，为了延长装置的使用寿命，必须采取有效措施来抑制电容温度的过快增长。
3、大功率开关变换器滤波环节优化设计
高频工作场合的矛盾可理解为其较差的高频阻抗-频率特性与高频工作场合间的矛盾。
若将适用于低频滤波场合的铝电解电容简单用于高频场合，不但不能较好地抑制高频纹波，其寿命也将大为缩短。
因此，欲同时实现较低温升和理想的滤波效果，大功率高频变换器中的滤波电容器必须满足：
（1）低频特性好，以较好抑制低频纹波；
（2）高频特性好，以有效滤除高频纹波；
（3）电容量足够大，放电提供电能时压降较小。
针对现有问题来优化滤波环节：
（1）从降低电容充放电电流频率入手。
高频纹波电流流过铝电解电容器，提高了其充放电频率，若能让绝大部分高频纹波电流改道流过由薄膜电容提供的低阻抗泄放支路，将会极大降低铝电解电容的充放电频率。
（2）从减小电容充放电电流幅值IC1入手。
分析图4可知，输入滤波电感L1的大小直接影响到IC1的高低。
如图4所示，C1右侧所有电路可等效为一个阻抗Z，为简化分析，假定C1的阻抗和Z恒定，利用电路理论可分析出L1的变化对IC1的影响。
图4图1电路简化等效电路
L1的阻抗为ZL1=jωL1，C1与Z的并联阻抗Z′=（1/jωC1）∥Z，Z′对U1中交流分量的分压UZ′=Z′U1/（ZL1+Z′）。
当L1变大时，︱ZL1︳变大，可知其幅值UZ′变小，又因为IC1=UZ′/ZC1，因此其幅值IC1变小，由此可见，增大L1，可以起到减小IC1的作用。
滤波环节优化后，装置的主电路连接图如图5所示。
由图6中的iC1波形可见，此时C1充放电频率约为300Hz，已处于工频段，而且电流峰值也减小到约75A。
优化后的工况下，C1的温升情况见表2。
图5优化后功率电路连接图
图6优化后C1中电流实际波形
表2优化后时间-温升情况记录表
实测数据说明，C1在运行约2小时后温度已趋于稳定，且稳定温度较理想，可达到铝电解电容器在低频滤波场合中的使用寿命，而且由于高频纹波电流在Res上的压降大幅减小，从而提高了电容的滤波效果。
输出铝电解滤波电容器容量一般高达几十万微法，纹波电流承受能力比输入滤波电容强。
功率变压器次级全波整流电路中肖特基二极管开关工作时也会产生大量高频噪声，但由于在每个肖特基两端均就近接入了RC吸收回路，且输出滤波电感L2较大，对高频噪声呈现较高阻抗，因此高频噪声对输出滤波电容温升的影响不大，其温升情况较理想。
4、滤波电容的选择和使用
电磁干扰控制的目的是指采取一定的措施后,使得设备或系统在一定的环境中能正常工作,相互之间不产生不良影响。
有很多方法可以抑制电磁干扰,例如:
采取屏蔽技术,良好的接地,采取滤波技术（如增加滤波电容、滤波器、电感等）等。
比较以上几种解决办法,滤波器存在成本问题,电感体积较大,且大小不易确定,选择滤波电容相对来说还是比较方便的方法。
图7是某一台空调产品连续干扰电压的测试曲线（执行GB4343.1-2003《家用和类似用途电动、电热器具,电动工具以及类似电器无线电干扰特性测量方法和允许值》）。
表3是超出限值的一些频率点及连续干扰电压的峰值和平均值的测量值。
从图7和表3中可以看出,连续干扰电压主要是在0.15~2MHz频率范围内超标。
空调产生的电磁兼容问题,一半以上发生在控制部分。
但是在这个频率范围,也很有可能存在马达引起的干扰。
通过优化设计滤波环节，既有效抑制了电路的低频和高频纹波，又显著降低了铝电解电容在高频场合中过快的温升，不仅将装置输出端纹波系数控制在1%以内，还延长了整个装置的使用寿命，很好地解决了大功率开关变换器中滤波电容温升与高频应用场合之间的矛盾，因此该装置具有较大的实际应用价值。
图7 整机干扰曲线
表3超出限值的频率点及连续干扰电压的测量值
4.1 曲线分析
采用排除法给空调供电,单独让室外机工作室内机不工作,室外机控制器和压缩机产生的连续干扰电压的测试曲线如图8所示。
图8 室外机干扰曲线
从图8可以看出,测量的连续干扰电压的峰值曲线和平均值曲线均没有超过限值线,且有一定的裕量,由此可以排除室外机控制器和压缩机干扰的可能。
采用让室内机不工作,室外机和分液器通电,测试得到的连续干扰电压曲线如图9所示。
图9 室外机和分液器干扰曲线
4.2 解决方法
对比两次的测试曲线,可以得出电磁干扰是分液器控制器工作时产生的。
电容器内绝缘介质材料的特性是电容器综合性能的重要制约因素。
实际的电容器不是纯电容,它是由等效电感、电容和等效电阻构成的串联网络。
选择电容器类型时,工作频率是一个重要的因素。
电容器的最高使用频率通常受电容器的电感和引线长度限制。
在某些频率上电容器因电感会产生自谐振振荡。
电容的谐振频率由等效电感和电容共同决定,电容的电感值越大,则谐振频率越低,也就是电容的高频滤波效果越差。
等效电感与电容器的引线长度有很大的关系,引线越长,则电感越大,电容的谐振频率越低。
因此,在实际应用中,应尽量使电容器的引线短一些。
另外,电容器中的介质参数受到温度和电压的影响会产生一定的变化,电容值也随之变化。
在选择电容时,要根据不同介质电容器的电压和温度特性进行正确的选择。
常用的电容器有:
铝电解电容、钽电解电容、纸介质电容、聚脂薄膜电容、云母和陶瓷电容器、聚苯乙烯电容器、穿心电容器。
由于聚脂薄膜电容低频特性较好,在这里我们选择一个0.1μF左右的聚脂薄膜电容直接焊接在分液器的控制器上。
图10和表4是加了滤波电容后的连续干扰电压的试验测试曲线和测试值。
图10 加滤波电容后的整机干扰曲线
表4 峰值和平均值计算数据
由图10和表4可以看出,在加了滤波电容后,超出限值线的干扰均被滤掉。
在实际应用中,单一的电容器不可能在从低频段到高频段都能令人满意。
这种情况下可以将两个不同类型的电容器并联使用,会取得良好的效果。
在较高频率的电路中通常采用以下方法:
（1）多端电容:
大功率、高频电路（开关电源）中，用的高频铝电解电容器有四个端子，正极铝片的两端分别引出作为电容器的正极，负极铝片的两端也分别引出作为负极。
电流从四端电容的一个正端流人，经过电容内部，再从另一个正端流向负载;从负载返回的电流也从电容的一个负端流入，再从另一个负端流向电源负端。
从而减小了大电解电容的感性。
（2）多芯式电容:
将铝箱分成较短的若干段，用多引出片并联连接，以减小容抗中的阻抗成份。
（3）大电解电容与小磁片电容并联使：
大电解电容滤除低颇信号，小磁片电容滤除高频信号。
在大容量电容中，同时采用低电阻率的材料作为引出端子.提高了电容器承受大电流的能力，使电路的稳定性能越来越好。
第二章：
去耦电容
1、去耦电容
去耦电容一般指去除在器件切换时从高频器件进入到配电网络中的射频能量的电容器件。
随着PCB和MCM设计功能越来越多,复杂度越来越高,使用的频率也就越来越高。
随着功能和速度的增加,瞬态电流也不断增加。
由于设计越来越复杂,器件密度越来越大,时钟频率越来越高,上升速度越来越快,产生了越来越多的感应噪声,比如Delta-I、地弹或瞬态交换噪声,当这种噪声大到一定程度时,会影响集成电路的功能和性能,添加去耦电容可以减少这些噪声。
PCB上供电线路的寄生阻抗有可能产生下述三种电磁干扰，所以应采用去耦电容来防止和减轻这些干扰的影响。
（1）门电路开关瞬间电流是跳跃式变化的，由于集成片通过电源线与电源相连接，电源线的电感将会阻止电流的瞬态变化，从而影响集成片的响应速度。
（2）集成片的瞬态变化电流流过环路面积较大的电源线路时，将会产生较为强烈的对外辐射噪声。
且由于各集成片很可能会流经相同的线路，相互之间存在较大的公共阻抗，从而产生了较严重的共阻抗耦合干扰。
（3）PCB板的电源线存在寄生电阻、电容、电感，线路电感的反电动势又使集成片得到的电源电压高于额定值。
所以当集成片电源端子上电压振荡的幅值超过数字逻辑元件的噪声容限时就会产生干扰。
2、去耦电容的计算
在电源回路中加电容时,应该考虑电源和地平板的参数、电子回路的元器件情况、设备内部与电源连接的供电电路等因数。
此外,选择电容时要根据经济技术最优指标决定电容的绝缘材料。
一般情况下,去耦电容是在某一特定的谐振频率、安装、引线长度、走线长度以及其它改变电容谐振频率的寄生参数下,以最佳滤波特性为基础获得的,同时也有一些比较粗略的算法。
算法一:
由公式Q=Cdv，C=I/（dv/dt）；
算法二:
在已知时钟信号的边沿速率时Cmax=
；
算法三:
在确定好决定要滤除的最高频率时,使用公式Cmin=
；
算法四:
如果粗略的估算的话,可按C=1/f。
3、去耦电容的选择
从理论上讲,电容的容量越大,容抗就越小,滤波效果就越好。
一些人也有这种习惯认识。
但是,容量大的电容一般寄生电感也大,自谐振频率低（如典型的陶瓷电容,0.1μF的
5MHz,0.01μF的
15MHz,0.001μF的
50MHz）,对高频噪声的去耦效果差,甚至根本起不到去耦作用。
分立元件的滤波器在频率超过10MHz时,将开始失去性能。
元件的物理尺寸越大,转折点频率越低。
这些问题可以通过选择特殊结构的电容来解决。
贴片电容的寄生电感几乎为零,总的电感也可以减小到元件本身的电感,通常只是传统电容寄生电感的1/3~1/5,自谐振频率可达同样容量的带引线电容的2倍（也有资料说可达10倍）,是射频应用的理想选择。
传统上,射频应用一般选择瓷片电容。
但在实践中,超小型聚脂或聚苯乙烯薄膜电容也是适用的,因为他们的尺寸与瓷片电容相当。
三端电容能将小瓷片电容频率范围从50MHz以下拓展到200MHz以上,这对抑制VHF频段的噪声是很有用的。
要在VHF或更高的频段获得更好的滤波效果,特别是保护屏蔽体不被穿透,必须使用馈通电容。
从经验上看，一般集成电路的去藕电容的选择很少大于0.01μF，除非是随机存取存储器。
因随机存取存储器电路在刷新周期内，电流必须同时供给所有单元，需要很大的瞬时电流，但也不宜选太大的电容值。
对于典型的256K动态PAM，一般需要0.1μF的去藕电容器也就够了。
对于提供低频充电电流的大容量去耦电容，一般没有严格要求，但它应比所有去藕电容值之和大10倍。
大去祸电容应该位于电源进线端，一般以每15-20个集成电路为一组设一个大去耦电容。
4、增强去耦效果的方法
增强去耦电容的想法就是要尽量阻止一个电路对另一个电路的影响。
所以合理使用去耦电容就成为增强去耦电容效果的重要手段。
去耦电容的作用是减小耦合干扰和为芯片提供瞬态高能量。
应尽量降低去耦电容器自身的引线电感，所以单个去耦电容或并联去耦电容的引线越短去耦电容的工作状况越好。
由于安装电容器时其引线长度（应注意引线长度还包括将电容器连接至层面的通道长度）是固定的，因而实际中减小引线电感是不可能的。
由于去耦电容安装到实际印制电路板上时还存在去耦环路电感，去耦环路电感同样会影响去耦效果，所以一般认为在布线时要尽量使去耦电容靠近芯片。
但这种提法有时不够确切，更确切的要求是使去耦电容的供电回路面积尽量小。
也就是说使去耦电容与芯片电源端和地端间的联线尽量短。
所以应将图11（a）中去耦电容的安装方法改为如图11（b）所示。
（a）改进前的安装（b）改进后的安装
图11去耦电容安装方法的改进
为了抑制元件在开关电路同时翻转时产生的频带较宽的暂态电流，可将两个电容器并联安装在电源插脚上以优化工作状况。
但是并联电容器的数值必须相差两个数量级（如0.1μF和0.001μF）。
并联电容器的总电容并不重要，并联电容的并联电感值才是重要的问题（由于自谐振频率）。
这是由于增加一个较小容量的电容后，其总容量并没有较大改变，但是两组引线将比一组引线拥有更宽的信号线，所以引线电感将会有所减小。
该方法还可用于改变电源层和地层的自谐振频率。
在数字电路中,配置原则如下:
（1）电源输入端一般跨接一个10μf~100μf的电解电容器,如果印制电路板的位置允许,采用100μf以上的电解电容器的抗干扰效果会更好。
（2）为每个集成电路芯片配置一个陶瓷电容器。
如遇到印制电路板空间小而装不下时,可每4~10个芯片配置一个1μf~10μf钽电解电容器,这种器件的高频阻抗特别小,在500kHz~20MHz范围内阻抗小于1Ω,而且漏电流很小（0.5μA以下）。
（3）对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和ROM、RAM等存储型器件,应在芯片的电源线（Vcc）和地线（GND）间直接接入去耦电容。
5、去耦电容的安放
安装去耦电容时,一般都知道使电容的引线尽可能短。
但是,实践中往往受到安装条件的限制,电容的引线不可能取得很短。
况且,电容引线的寄生电感只是影响自谐振频率的因素之一,自谐振频率还与过孔的寄生电感、相关印制导线的寄生电感等因素有关。
一味地追求引线短,不仅困难,而且根本达不到目的。
这说明要保证去耦效果,在PCB设计时,就要考虑相关问题。
设计印制导线时,应使去耦电容距离芯片电源正负极引脚尽可能近（当然电容引线要尽可能短）。
设计过孔时应尽量减小过孔的寄生电感。
人们不断纠正或放弃电容在EMC设计中的一些传统认识与做法。
电容在EMC设计中的作用大小与多种因素有关,且其中的很多因素一直在不断的研究与变化中。
所以,要充分发挥电容在EMC设计中的作用,及时了解相关研究的新进展,及时采用新技术,是非常重要的。
尽量在关键元件,如ROM、RAM等芯片旁边安装去耦电容。
防止Vcc走线上开关噪声尖峰的唯一方法,是在VCC与电源地之间安放一个0.1μf的电子去耦电容。
如果电路板上使用的是表面贴装元件,可以用片状电容直接紧靠着元件,在Vcc引脚上固定,最好是使用瓷片电容。
使去耦电容尽量靠近转换信号,去耦电容应连接到原始信号板下面的电源/接地面到新信号板下面的电源/接地面之间,如果这两种信号板下面的面均为接地面,则可以用通孔取代去耦电容。
在安放去耦电容时需要注意以下几点:
1）在印制电路板的电源输入端一般跨接一个电解电容,如果体积允许的话,电容量大一些则更好。
2）原则上每个集成电路芯片的旁边都需要放置一个瓷片电容,如果电路板的空隙太小而放置不下时,可以每10个芯片左右放置一个1~10的钽电容。
3）对于抗干扰能力弱、关断时电流变化大的元件和RAM、ROM等存储元件,应该在电源线（Vcc）和地线之间接入去耦电容。
电容的引线不要太长,特别是高频旁路电容不能带引线。
4）对于IC的电源,保证每个IC的电源PIN都有一个去耦电容,对于BGACHIP,要求在BGA的四角分别有两个电容共8个。
对走线的电源尤其要注意加滤波电容,如VTT等。
这不仅对稳定性有影响,对EMI也有很大的影响。
5）对于时钟线的处理,如果时钟线有过孔,在过孔的相邻位置,地层和电源层之间加一个旁路电容,以确保时钟线换层后,参考层（相邻层）的高频电流的回路连续。
旁路电容所在的电源层必须是过孔穿过的电源层,并尽可能地靠近过孔,旁路电容与过孔的间距最大不超过300MIL。
6）时钟线下面没有铺铜。
若条件限制实在做不到不穿孔,保证频率大于等于66M的时钟线不穿孔,频率小于66M的时钟线若穿孔,必须加一个去耦电容形成镜像通路。
图12某IC的去耦电容的位置
图13在模拟和数字PCB设计中,去耦或旁路电容（1mF）应尽量靠近器件放置。
供电电源去耦电容（10mF）应放置在电路板的电源线入口处。
所有情况下,这些电容的引脚都应较短。
图13 某IC的去耦电容的位置
在安放跟去耦电容相匹配的电容时需注意电源线和地线的走线,由于这种不恰当的配合,电路板的电子元器件和线路受电磁干扰的可能性比较大。
图14是不恰当的去耦电容布线。
图14 不恰当的去耦电容布线
如果换成图15的走线方式,到电路板上电容的电源线和地线彼此靠近。
此电路板中电源线和地线的配合比图14中恰当。
电路板中电子元器件和线路受电磁干扰（EMI）的可能性降低了679/12.8倍或约54倍。
去耦电容在PCD中的应用是解决高频高速信号频繁出现的有效方法之一,也是解决PCB的EMC设计问题的基本方法之一,要求选择合适的电容,合理安放,以提高信号质量。
图15 恰当的去耦电容布线
第三章：
总结
综上所述，正确地选用滤波电容、去耦电容，是改善电路电磁兼容性的一项措施。
它可以抑制外部噪声对系统内的影响，同时使内部噪声减到最小，减小系统对外部的影响。
电路设计者能正确地选用滤波电容、去耦电容，为提高设备的安全性和可靠性提供了保证。
参考文献：
[1]YorbeZhang.PCB的EMC设计[J].电子工程专辑,2005.
[2]徐亮等.去耦电容在PCB板设计中的应用[J].电测与仪表.2002
（2）.
[3]白同云,吕晓德.电磁兼容设计[M].北京:
北京邮电大学出版社,2001.
[4]张松春,竺子芳,赵秀芬,等.电子控制设备抗干扰技术及其应用（第2版）[M].北京:
机械工业出版社,1995.
[5]徐亮,阮江军,甘艳,等.去耦电容在PCB板设计中的应用[J].电测与仪表,2002,39（4）:
5-8.
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