電容器與數(shù)字電路電磁兼容性設(shè)計(jì)

【摘 要】本文介紹了數(shù)字電路中的電磁干擾，分析研究了電容器以及它在數(shù)字電路電磁兼容性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字電路;電磁兼容;電容器

電磁兼容源于英語(yǔ)Electromagnetic Compatibility，簡(jiǎn)稱(chēng)EMC。作為一門(mén)學(xué)科，可譯作“電磁兼容”，而對(duì)一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)而言，可稱(chēng)為“電磁兼容性”。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）對(duì)它的定義是：“指在不損害信號(hào)所含信息的條件下，信號(hào)和干擾能夠共存。”我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4365-1995《電磁兼容性術(shù)語(yǔ)》中定義為：“設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能忍受的電磁騷擾的能力”?？梢?jiàn)，電磁兼容包含兩方面的含義：一是指電磁敏感性，即設(shè)備或系統(tǒng)的抗干擾能力;另一方面是指電磁干擾特性，即是對(duì)同一電磁環(huán)境中其他設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾。

在人類(lèi)尚未使用電能之前，地球上就已經(jīng)存在雷電等自然的電磁現(xiàn)象，隨著十九世紀(jì)電磁學(xué)的萌芽和發(fā)展，利用電磁效應(yīng)工作的設(shè)備越來(lái)越多，電磁污染也日益嚴(yán)重，電磁干擾和抗干擾逐漸引起人們的關(guān)注。

一、數(shù)字電路的干擾分析

隨著大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字電路在電子設(shè)備和系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，作用也越來(lái)越重要。由于數(shù)字電路中元器件的種類(lèi)和數(shù)量不斷增加， PCB板的層數(shù)越來(lái)越多，體積卻越來(lái)越小，線(xiàn)路排布也日益復(fù)雜，信號(hào)工作頻率越來(lái)越高，這些電路產(chǎn)生的電磁干擾日趨嚴(yán)重，同時(shí)它們又是敏感設(shè)備，極易受到干擾。

對(duì)數(shù)字電路來(lái)說(shuō)，干擾來(lái)源主要有以下幾方面：（一）時(shí)鐘信號(hào)干擾：在高速數(shù)字電路中，時(shí)鐘電路通常是電磁噪聲的最大來(lái)源，在現(xiàn)代高速DSP系統(tǒng)中，時(shí)鐘電路?？僧a(chǎn)生高達(dá)300MHZ的諧波發(fā)射干擾;（二）反射干擾：在數(shù)字電子設(shè)備和系統(tǒng)中，往往需要傳輸很多時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，這些傳輸線(xiàn)很難做到與終端阻抗相匹配，這樣信號(hào)就會(huì)在阻抗不連續(xù)處發(fā)生反射，使信號(hào)波形發(fā)生畸變和失真，反射還會(huì)降低器件的噪聲容限，增加傳輸延遲時(shí)間，嚴(yán)重時(shí)可能使電路無(wú)法正常工作;（三）串?dāng)_：包括前向串?dāng)_（電容性）和后向串?dāng)_（電感性），是指信號(hào)在傳輸過(guò)程中，由于耦合在其相鄰信號(hào)線(xiàn)上引起的干擾，大多發(fā)生在平行傳輸線(xiàn)之間，如扁平電纜、束捆導(dǎo)線(xiàn)或PCB上的平行布線(xiàn)等。（四）電源線(xiàn)干擾：由于電源線(xiàn)存在較大電感，當(dāng)數(shù)字邏輯電路尤其是動(dòng)態(tài)儲(chǔ)存器件和門(mén)電路在工作過(guò)程中邏輯狀態(tài)高速變化時(shí)，電源輸出端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的瞬態(tài)電流，這一瞬態(tài)電流具有很陡的上升沿和下降沿，包含豐富的諧波分量，將會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲通過(guò)電源線(xiàn)向外輻射;（五）地線(xiàn)干擾：由于地線(xiàn)阻抗的存在，實(shí)際上各個(gè)接地點(diǎn)并非等電位，各部分地線(xiàn)之間存在電位差。

二、常用電容器和穿心電容

電子電路中常用的電容器有以下幾種：（一）鋁電解電容器：它是在絕緣薄層之間纏繞螺旋狀金屬箔制成的，這樣由于相對(duì)面積較大可在單位體積內(nèi)得到較大的電容值，但這種結(jié)構(gòu)也使其內(nèi)部電感增加，通常只能用于普通場(chǎng)合;（二）鉭電解電容器：由一塊帶直板和引腳連接點(diǎn)的絕緣體制成，其高頻阻抗特別小，在500kHz～20MHz范圍內(nèi)阻抗小于1Ω，而且漏電流也很?。ㄍǔＴ?.5μA以下），其內(nèi)部電感也比鋁電解電容要低，常用于要求較高的場(chǎng)合;（三）陶瓷電容器：也稱(chēng)為陶質(zhì)電容器，它采用陶瓷材料作為絕緣體，在絕緣體中包含多個(gè)平行的金屬片，通常只在低于1MHZ的區(qū)域造成阻抗。絕緣材料的不同頻響特性意味著不同類(lèi)型的電容器有不同的應(yīng)用場(chǎng)合，鋁電解和鉭電解適用于低頻終端，主要是存儲(chǔ)器和低頻濾波器領(lǐng)域;陶質(zhì)電容比較適合中頻范圍（從KHZ到MHZ），常用于去耦電路和高頻濾波;特殊的低損耗陶質(zhì)電容適合于甚高頻和微波電路。

在實(shí)際工程中，要濾除的電磁噪聲頻率往往高達(dá)數(shù)百M(fèi)Hz，甚至超過(guò)1GHz，對(duì)這樣高頻的電磁噪聲普通電容不能有效地濾除，必須使用穿心電容才行。一方面原因是普通電容器的引線(xiàn)電感造成電容諧振，對(duì)高頻信號(hào)呈現(xiàn)較大的阻抗，削弱了對(duì)高頻信號(hào)的旁路作用;另一個(gè)原因是導(dǎo)線(xiàn)之間的寄生電容使高頻信號(hào)發(fā)生耦合，降低了濾波效果。

三、電容器在數(shù)字電路電磁兼容設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

電容器在數(shù)字電路電磁兼容性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要是兩個(gè)方面：一是作為旁路電容，其主要作用是產(chǎn)生一個(gè)交流分路，以減小對(duì)電源模塊的瞬態(tài)電流要求，消除高頻輻射噪聲，通常選用鋁電解和鉭電解作為旁路電容。其電容值取決于PCB板上的瞬態(tài)電流需求，一般在10-470μF范圍內(nèi)，若PCB板上有許多集成電路、高速開(kāi)關(guān)和引線(xiàn)較長(zhǎng)的電源，應(yīng)選擇大容量的電容器。需要注意的是，在選取電容器的時(shí)候并不是容量越大越好，因?yàn)槠胀娙萜鞫加幸€(xiàn)電感，電容越大，其諧振頻率越低，當(dāng)信號(hào)頻率大于諧振頻率時(shí)，電容就會(huì)呈感性阻抗，濾波效果就會(huì)變差;二是用作退耦電容，又稱(chēng)去耦電容。在數(shù)字電路中，當(dāng)電路從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時(shí)，就會(huì)在電源線(xiàn)上產(chǎn)生一個(gè)很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓，使用去耦電容可以抑制因負(fù)載變化而產(chǎn)生的噪聲，還可以濾除高頻器件在PCB板上引起的輻射電流，為器件提供一個(gè)局部的直流電源，將噪聲引導(dǎo)到地，減少開(kāi)關(guān)噪聲在板上的傳播，降低PCB中的浪涌峰值。

通過(guò)大量的工程實(shí)踐和測(cè)試分析表明，為保證電路的電磁兼容性，去耦電容一般應(yīng)按如下規(guī)則設(shè)置：（一）電源輸入端一般應(yīng)跨接一個(gè)10～100μF的電解電容器，如果印制電路板的位置允許，采用100μF以上的電容器抗干擾效果會(huì)更好。（二）要為每個(gè)集成電路芯片配置一個(gè)0.01μF的陶瓷電容器，如遇到印制電路板空間小而裝不下時(shí)，可每4～10個(gè)芯片配置一個(gè)1～10μF鉭電解電容器。為了得到更好的電磁兼容性，去耦電容應(yīng)盡可能靠近每個(gè)集成塊，放置于板的正面，芯片的下方，這樣去耦效果較好。（三）對(duì)于噪聲能力弱、關(guān)斷時(shí)電流變化大的器件和存儲(chǔ)型器件，應(yīng)在芯片的電源引腳（Vcc）和地線(xiàn)引腳（GND）間直接接入去耦電容。（四）當(dāng)高速超大規(guī)模集成電路（VLSI）器件的信號(hào)速率較高時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生射頻電流，這時(shí)通常采用一個(gè)大電容和一個(gè)小電容并聯(lián)的做法，可以在更寬的頻譜范圍內(nèi)消除電源噪聲，這兩個(gè)電容的取值應(yīng)相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)，以提供更有效的去耦。一般采用0.1μF和0.001μF并聯(lián)，對(duì)于50MHZ以上的時(shí)鐘頻率，可用0.01μF和100PF并聯(lián)。

最后還應(yīng)注意，在工程應(yīng)用中，旁路電容和退耦電容都應(yīng)盡可能靠近電源輸入端放置，以幫助濾除高頻噪聲;去耦電容的引線(xiàn)要盡量短，高頻旁路電容不能帶引線(xiàn)。

作者簡(jiǎn)介：胡靜（1972.5-），女;漢族;貴州龍里人，在職碩士，副教授 主要從事電工電子教學(xué)及研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]高攸綱.第17屆全國(guó)電磁兼容學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[M].北京 ?電子工業(yè)出版社 2007.8

[2]白同云，呂曉德.電磁兼容設(shè)計(jì)[M].北京 北京郵電大學(xué)出版社出版 2001年

[3]羅來(lái)俊.電容對(duì)電磁兼容的影響[J].北京 ?電氣時(shí)代 ?2004（10）

[4] 劉潤(rùn)章.電容器在數(shù)字電路電磁兼容設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].蘭州 ?蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)2006（6）