電容器是電路中最基本的元件之一，利用電容濾除電路上的高頻騷擾和對電源解耦是所有電路設計人員都熟悉的。但是，隨著電磁干擾問題的日益突出，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騷擾時需要注意的事項。
1、電容引線的作用
在用電容抑制電磁騷擾時，最容易忽視的問題就是電容引線對濾波效果的影響。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)在信號線與地線之間起到對高頻噪聲的旁路作用。然而，在實際工程中，很多人發(fā)現(xiàn)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策。出現(xiàn)這種情況的一個原因是忽略了電容引線對旁路效果的影響。
實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。
圖1 實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，而實際電容的阻抗是圖1所示的網(wǎng)絡的阻抗特性，在頻率較低的時候，呈現(xiàn)電容特性，即阻抗隨頻率的增加而降低，在某一點發(fā)生諧振，在這點電容的阻抗等于等效串聯(lián)電阻ESR。在諧振點以上，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。
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有關外，電容的引線長度是一個十分重要的參數(shù)，引線越長，則電感越大，電容的諧振頻率越低。因此在實際工程中，要使電容器的引線盡量短，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(jù)LC電路串聯(lián)諧振的原理，諧振點不僅與電感有關，還與電容值有關，電容越大，諧振點越低。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，電容的引線長度是1.6mm（你使用的電容的引線有這么短嗎？）。
表1
|
電容值 |
自諧振頻率（MHz） |
電容值 |
自諧振頻率（MHz） |
|
1m F |
1.7 |
820 pF |
38.5 |
|
0.1m F |
4 |
680 pF |
42.5 |
|
0.01m F |
12.6 |
560 pF |
45 |
|
3300pF |
19.3 |
470 pF |
49 |
|
1800 pF |
25.5 |
390 pF |
54 |
|
1100pF |
33 |
330 pF |
60 |
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，可以通過調(diào)整電容的容量，使諧振點剛好落在騷擾頻率上。
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溫度升高時會減小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，否則會出現(xiàn)濾波器在高溫或低溫時性能變化而導致設備產(chǎn)生電磁兼容問題。
COG介質(zhì)雖然穩(wěn)定，但介質(zhì)常數(shù)較低，一般在10～100，因此當體積較小時，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，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，這會導致設備的溫度特性變差。這在選用電容器時要特別注意，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溫度變化，還會隨著工作電壓變化，這一點在實際工程必須注意。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%！了解了這個特性，在選用電容時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，電容的變化如圖4所示。
圖5電容器的溫度/電壓特性
5.穿心電容的使用
在實際工程中，要濾除的電磁噪聲頻率往往高達數(shù)百MHz，甚至超過1GHz。對這樣高頻的電磁噪聲必須使用穿心電容才能有效地濾除。普通電容之所以不能有效地濾除高頻噪聲，是因為兩個原因，一個原因是電容引線電感造成電容諧振，對高頻信號呈現(xiàn)較大的阻抗，削弱了對高頻信號的旁路作用；另一個原因是導線之間的寄生電容使高頻信號發(fā)生耦合，降低了濾波效果，如圖5所示。
圖6 普通電容在高頻濾波中的問題
穿心電容之所以能有效地濾除高頻噪聲，是因為穿心電容不僅沒有引線電感造成電容諧振頻率過低的問題，而且穿心電容可以直接安裝在金屬面板上，利用金屬面板起到高頻隔離的作用。但是在使用穿心電容時，要注意的問題是安裝問題。穿心電容最大的弱點是怕高溫和溫度沖擊，這在將穿心電容往金屬面板上焊接時造成很大困難。許多電容在焊接過程中發(fā)生損壞。特別是當需要將大量的穿心電容安裝在面板上時，只要有一個損壞，就很難修復，因為在將損壞的電容拆下時，會造成鄰近其它電容的損壞。
隨著電子設備復雜程度的提高，設備內(nèi)部強弱電混合安裝、數(shù)字邏輯電路混合安裝的情況越來越多，電路模塊之間的相互騷擾成為嚴重的問題。解決這種電路模塊相互騷擾的方法之一是用金屬隔離艙將不同性質(zhì)的電路隔離開。但是所有穿過隔離艙的導線要通過穿心電容，否則會造成隔離失效。當不同電路模塊之間有大量的聯(lián)線時，在隔離艙上安裝大量的穿心電容是十分困難的事情。為了解決這個問題，國外許多廠商開發(fā)了“濾波陣列板”，這是用特殊工藝事先將穿心電容焊接在一塊金屬板構成的器件，使用濾波陣列板能夠輕而易舉地解決大量導線穿過金屬面板的問題。TLZ – 1系列濾波陣列板的密度是標準2.54mm，可以直接與扁平電纜插座配合，便于安裝，可廣泛用于電子設備的濾波隔離（圖7）。
圖7 濾波陣列板用于電路隔離