盤點(diǎn)電容在EMC中的應(yīng)用

一前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和電子產(chǎn)品種類和數(shù)量不斷增多，造成了日益復(fù)雜的電磁環(huán)境。為了控制電子產(chǎn)品的電磁輻射以及在電磁環(huán)境下能夠穩(wěn)定工作，世界各國組織和機(jī)構(gòu)出臺了許多電磁兼容（EMC）標(biāo)準(zhǔn)，為了能滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的要求，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程不得不考慮電磁兼容設(shè)計(jì)，常見的電磁兼容設(shè)計(jì)有屏蔽、接地和濾波。今天分享的內(nèi)容與濾波有關(guān)，是我們常見的濾波器件—電容。

二電容

電容作為三大基本電路元件之一，發(fā)展至今已經(jīng)有了各式各樣的產(chǎn)品形態(tài)，如瓷介電容（CC）、紙介電容（CZ）、鋁電解電容（CD）、鉭電解電容（CA）、安規(guī)電容以及穿心電容等，不同的電容形態(tài)各異，作用不同，但也有作為電容的通性。

1.電容的結(jié)構(gòu)

電容的結(jié)構(gòu)組成可以簡單分為三部分：電極+介質(zhì)+電極，以下是片狀多層陶瓷電容和鋁電解電容的基本結(jié)構(gòu)示意圖：

電容的容值計(jì)算公式為：

C為電容值，單位法拉F，ε為介質(zhì)介電常數(shù)，S為電極的面積，d為電極的距離。

2.電容的特性

（1）頻率特性：電容具有隔離直流通交流，隔離低頻通高頻的特點(diǎn)，可以通過電容的阻抗計(jì)算公式來看：

Z為阻抗，單位Ω，W為角頻率，C為電容大小。通過公式可以知道，角頻率增大，阻抗Z減小，體現(xiàn)了頻率越高阻抗越低的特點(diǎn)。

理想的電容阻抗隨頻率降低，但在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到電路的寄生電感帶來的影響，電容的頻率特性會在某個(gè)頻率點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)變，這個(gè)頻率點(diǎn)我們稱為電容的諧振頻率，計(jì)算公式如下：

（2）儲能特性：電容兩個(gè)極板在上電過程通過儲存電荷，將電能轉(zhuǎn)換為電勢能，存儲在電容兩端，存儲的能量大小計(jì)算公式如下：

電容的儲能就是一次充電過程，電容充放電的時(shí)間常數(shù)的大小與電路中電阻、和電容本身容量有關(guān)，計(jì)算方式如下：

RC電路的時(shí)間常數(shù)：τ=RC

充電時(shí)：

U是電源電壓。

放電時(shí)：

Uo是放電前電容上電壓。

三電容在EMC整改中的應(yīng)用

在EMC整改過程中，電容濾波是常用的手段之一，利用電容在不同頻段的頻率特性可以實(shí)現(xiàn)對電磁輻射的抑制，常用的電容諧振頻率可以參考下表：

在整改過程中，通過濾波可以改變噪聲的輻射路徑，從而實(shí)現(xiàn)抑制電磁輻射的目的。針對不同的輻射頻段選用不同的電容濾波，但是前提是先找到輻射的主要路徑。

（1）高頻輻射濾波：下面是某設(shè)備的輻射測試數(shù)據(jù)，在750MHz頻段輻射值較高：

通過排查發(fā)現(xiàn)主要的輻射路徑是串口通信接口，如下：

通過在接口處做電容濾波，濾波后數(shù)據(jù)如下：

（2）低頻噪聲濾波

在DCDC電源電路設(shè)計(jì)中，為了應(yīng)對可能出現(xiàn)的低頻噪聲輻射問題，例如車載設(shè)備的傳導(dǎo)電壓法測試，通常需要在電源端預(yù)留足夠的濾波，常見的電容濾波組合為LC濾波、π型濾波，濾波參數(shù)需要參考需要濾波的頻段來確定。

LC濾波的諧振頻率計(jì)算公式如下：

作為低通二階濾波，在諧振頻率點(diǎn)之后的頻段，插損為-20db/10倍頻。如果需要濾波的頻點(diǎn)為500KHz，濾波諧振頻率f設(shè)置為50KHz，那么計(jì)算出來的濾波參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)在500KHz頻點(diǎn)達(dá)到20dB的噪聲抑制效果。

四電容儲能

電容的儲能特性能夠?yàn)殡娐诽峁┒虝旱哪芰抗┙o，在一些EMC抗擾類測試項(xiàng)目中，涉及電源波動(dòng)抗擾度測試，通過儲能電容可以讓電路在測試過程中有足夠的能量保持正常工作。

以電壓跌落測試為例，電壓暫降和短時(shí)中斷抗擾度試驗(yàn)是為了模擬因?yàn)榫€路過載引起的長時(shí)供電電壓升高或降低，或者其他大功率負(fù)載電流瞬間抽取的過大，導(dǎo)致輸入電壓瞬間下降或者供電短時(shí)中斷。

要解決電壓跌落的問題，首先要確定是哪一部分的電路問題，只有定位到具體的電路模塊后，才能分析用哪種措施去補(bǔ)償這些跌落。利用電容的儲能特性，可以選擇在負(fù)載供電端并聯(lián)電容，如低ESR的鉭電容或者電解電容。

五總結(jié)

無論是電路設(shè)計(jì)還是EMC整改設(shè)計(jì)，電容都發(fā)揮了極大的作用，熟練掌握電容的結(jié)構(gòu)與性能很關(guān)鍵。在EMC整改過程中，電容只有放在正確的位置才能發(fā)揮出最大的效果，所以很多時(shí)候除了要有好的器件，也需要有足夠的經(jīng)驗(yàn)用于判斷問題，進(jìn)而解決問題。關(guān)于電容的更多應(yīng)用，歡迎各位留言討論、交流。

審核編輯：湯梓紅