【導(dǎo)讀】本文想從EMC角度談?wù)勲娙莸倪x型與應(yīng)用，電容是電子工程師非常熟悉的一種電子元件，基本功能有：儲(chǔ)能、濾波、去耦、旁路等，是最重要的EMC器件之一。本文從功能角度將電容應(yīng)用過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，一一解析，給廣大電子工程師們?cè)O(shè)計(jì)提供一點(diǎn)借鑒。
電容的分類
電容(Electric capacity)，由兩個(gè)金屬極，中間夾有絕緣材料（介質(zhì)）構(gòu)成。由于絕緣材料的不同，所構(gòu)成的電容器的種類也有所不同：
按結(jié)構(gòu)可分為：固定電容，可變電容，微調(diào)電容。
按介質(zhì)材料可分為：氣體介質(zhì)電容，液體介質(zhì)電容，無(wú)機(jī)固體介質(zhì)電容，有機(jī)固體介質(zhì)電容電解電容。
按極性分為：有極性電容和無(wú)極性電容。無(wú)極性電容(主要指陶瓷電容)的參數(shù)(電介質(zhì)材料類別，溫度特性以及誤差等參數(shù))選擇在一些設(shè)計(jì)中是比較關(guān)鍵的。表1為電容的溫度與容量誤差編碼表。如X7R電容表示電容工作的溫度范圍是-55-125℃，容量變化范圍是±15%。
表1
常用的電容有 NP0、X7R、Y5V，主要區(qū)別是它們的填充介質(zhì)不同。在相同的體積下由于填充介質(zhì)不同所組成的電容器的容量就不同，隨之帶來(lái)的電容器的介質(zhì)損耗、容量穩(wěn)定性等也就不同。所以在使用電容器時(shí)應(yīng)根據(jù)電容器在電路中作用不同來(lái)選用不同的電容器。
NPO電氣性能穩(wěn)定，適用于高穩(wěn)定性、高頻場(chǎng)合；X7R電氣性能較穩(wěn)定,隨溫度、時(shí)間、電壓的變化,其特性變化并不明顯，適用于要求較高的耦合、旁路、濾波電路及中頻場(chǎng)合；Y5V具有很高的介電系數(shù)，常用于生產(chǎn)小體積，大容量的電容器，其容量隨溫度改變比較明顯，但成本較低，仍廣泛用于對(duì)容量，損耗要求不高的耦合、濾波、旁路等電路場(chǎng)合。
分類
用來(lái)給器件提供恒定的電流和電壓，常用在電源模塊上，屬于低頻范疇。能用作儲(chǔ)能的電容都是有極性電容，常用的有鋁電解電容和鉭電解電容。
鋁電解電容的特點(diǎn)：
容量大；
ESR,ESL大；
低頻特性差。
一般用在電源輸入輸出端。
鉭電解電容的特點(diǎn)：
ESR,ESL低；
高頻特性好；
電壓和容量低；
價(jià)格比鋁電解電容高。
鉭電解電容一般用在對(duì)電源穩(wěn)定性要求較高且低電壓的場(chǎng)合。
如何選擇合適的電解電容
電解電容的選型2個(gè)重要的參數(shù)：耐壓和容量。耐壓一般是最高電壓的1.2-1.5倍，這是系統(tǒng)降額設(shè)計(jì)需要考慮的問(wèn)題。容量的選擇有一個(gè)基本公式：
1/2C(ΔU)² = PΔt-----------------------------------------------------------(1)
ΔU是Δt時(shí)間內(nèi)允許的最大電壓差，這個(gè)是為了防止瞬間電源電壓跌落給后級(jí)電路帶來(lái)影響而采取的限值，其數(shù)值要參考電源的輸入輸出參數(shù)。
P是電解電容供電總功率。
根據(jù)公式(1)，
C = (2 PΔt)/ (ΔU)²
其計(jì)算依據(jù)就是電解電容要提供短暫和足額的功率輸出。
去耦
去耦是通過(guò)咋信號(hào)線與電源平面間提供一個(gè)低阻抗的電源來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在頻率升到自諧振點(diǎn)之前，隨著頻率的升高，去耦電容的阻抗會(huì)越來(lái)越低，這樣高頻噪聲會(huì)有效的從信號(hào)線上泄放，余下的低射頻能量就沒(méi)有什么影響了。
當(dāng)元件開(kāi)關(guān)消耗直流能量時(shí)，沒(méi)有去耦電容的電源分配網(wǎng)絡(luò)將發(fā)生一個(gè)瞬時(shí)尖峰，這主要是因?yàn)殡娫淳W(wǎng)絡(luò)中存在一定的電感，而去耦電容能夠提供一個(gè)局部的、電感小的電源，將電壓保持在一個(gè)恒定的參考點(diǎn)，阻止了錯(cuò)誤的邏輯轉(zhuǎn)換。
去耦電容的另一個(gè)作用是提供局部的能量存儲(chǔ)源，可以減小電源供電的輻射路徑。電路中RF能量與IAf成正比，I是回路電流，A是回路面積，f是電流的頻率，在I和f確定的條件下，減小回路面積變得非常重要。[page]
為什么要去耦
由于電源線總有不同程度的電感，當(dāng)發(fā)生電流突變(在數(shù)字電路中經(jīng)常發(fā)生電平切換，電流發(fā)生快速變化)，會(huì)有感應(yīng)電壓，這就是電源線上出現(xiàn)的噪聲。當(dāng)電源線上產(chǎn)生尖峰時(shí)，地線上也必然流過(guò)這個(gè)電流，電線上也有不同程度的電感，出現(xiàn)了地線噪聲，對(duì)周期信號(hào)來(lái)說(shuō)，噪聲尖峰更加集中。
電容自諧振頻率
實(shí)際上，所有的電容都包含一個(gè)LCR電路，L為引線電感，R是引線電阻，R2介質(zhì)損耗電阻。
圖1 電容等效電路
圖2 電容頻率阻抗特性
在一定的頻率上，L和C串聯(lián)將提供非常低的阻抗，在自諧振點(diǎn)之上，電容將不再具有電容的特性，將變成一個(gè)電感！因此選擇旁路和去耦電容時(shí)，并非取決于電容值的大小，而是電容的自諧振頻率！在自諧振頻率之下電容表現(xiàn)為容性，在自諧振頻率之上，表現(xiàn)為感性，將減小RF去耦功能。因此，選擇去耦電容容值時(shí)，必須保證要去耦的噪聲頻率在電容的自諧振頻率之下。圖3顯示了常見(jiàn)電容的自諧振頻率。
圖3 電容的自諧振頻率
注：0.25 inch 引腳寄生電感 L = 3.75 nH 0805 寄生電感 L = 1 nH[page]
去耦電容的應(yīng)用策略
0.1uF電容和0.01uF電容是當(dāng)今高速電路設(shè)計(jì)中最常用的去耦電容。一般表貼電容的自諧振點(diǎn)不會(huì)超過(guò)500MHz，0.01uF的表貼裸電容的自諧振點(diǎn)在50~150MHz之間，實(shí)際應(yīng)用中引線電感的存在使得再小的電容的去耦頻率上限不過(guò)超過(guò)300MHz.。這也是很多電路中即使工作頻率再高，去耦電容也只用0.01uF的原因。解決這個(gè)問(wèn)題的有效辦法就是電容的并聯(lián)。
去耦電容的并聯(lián)
戰(zhàn)略性的放置幾個(gè)電容將會(huì)起到很好的去耦效果，在實(shí)際的應(yīng)用中，兩個(gè)電容并聯(lián)能夠提供更寬的抑制帶寬，這兩個(gè)電容必須有不同的數(shù)量級(jí)或容差100倍的關(guān)系(如0.1uF和0.001uF)，以達(dá)到最佳的效果。并聯(lián)電容的總?cè)葜挡皇侵饕?，重要的因素是由并?lián)電容產(chǎn)生的并聯(lián)阻抗！
當(dāng)功耗較大時(shí)，可以考慮多個(gè)相同容值的電容并聯(lián)。
去耦電容的位置
去耦電容需要盡可能靠近芯片Vcc引腳處，這樣可以減小布線電感，同樣容值的電容，貼片的效果要好于插件，原因在于貼片電容內(nèi)的引線電感要小于插件電容，一般采用多層陶瓷電容(MLCC)，封裝越小，去耦效果越好。
為了提高去耦效果和頻率，一般采用容值相差100倍的兩個(gè)電容并聯(lián)的方式。另外，在每個(gè)Vcc引腳處都應(yīng)該放置一個(gè)去耦電容。有時(shí)，改變電容的連接方式和位置可以大大改善EMC性能。
去耦電容的應(yīng)用場(chǎng)合
去耦電容一般用在數(shù)字電路的電源線和信號(hào)線上。對(duì)敏感的信號(hào)，可以在信號(hào)線上并聯(lián)一個(gè)0.01uF的電容。
去耦電容與旁路電容的區(qū)別
去耦電容與旁路電路本質(zhì)上沒(méi)有區(qū)別。電源系統(tǒng)的電容本來(lái)就有多種用途,從為去除電源的耦合噪聲干擾的角度看,我們可以把電容稱為去耦電容(Decoupling),如果從為高頻信號(hào)提供交流回路的角度考慮,我們可以稱為旁路電容(By-pass)，因此實(shí)際上是一種東西。去耦和旁路屬于濾波的范疇，去耦濾除的是少量無(wú)規(guī)律的交流部分，屬于高頻信號(hào)，一般選用陶瓷電容。
