电磁干扰与去耦电容

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电路的设计中存在很多 电磁干扰(EMI) 问题, 去耦电容 的应用场景就是减小电磁干扰,这一过程衍生出了另一个概念—— 电磁兼容(EMC) 。

电磁干扰(EMI)的例子?

1、静电放电(ESD)

冬天的时候,尤其是空气比较干燥的内陆城市,很多朋友都有这样的经历,手触碰到电脑外壳、铁柜子等物品的时候会被电击,这就是 静电放电现象 ,也称之为 ESD 。

2、快速瞬间群脉冲(EFT)

不知道有没有同学有这样的经历,早期我们使用电钻这种电机设备,并且同时在听收音机或者看电视的时候,收音机或者电视会出现杂音,这就是 快速瞬间群脉冲 的效果,也称之为 EFT 。

3、浪涌(Surge)

以前的老电脑,有的性能不是很好,带电热插拔优盘、移动硬盘等外围设备的时候,内部会产生一个百万分之一秒的电源切换,直接导致电脑出现蓝屏或者重启现象,就是热插拔的 浪涌 效果,称之为 Surge 。

电磁干扰的内容有很多,我们这里不能一一列举,但是有些内容非常重要。这些问题不要认为是小问题,比如一个简单的静电放电,我们用手能感觉到的静电,可能已经达到3KV以上了。

如果用眼睛能看得到的,至少是5KV了,只是因为这个电压虽然很高,能量却非常小,持续的时间非常短,因此不会对人体造成伤害。但是我们应用的这些半导体元器件就不一样了,一旦瞬间电压过高,就有可能造成器件的损坏。

去耦电容的概念

去耦电容 是电路中装设在元件的电源端的电容,此电容可以提供较稳定的电源,同时也可以降低元件耦合到电源端的噪声,间接可以减少其他元件受此元件噪声的影响。

在电子电路中,去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用,电容所处的位置不同,称呼就不一样了。对于同一个电路来说,旁路(bypass)电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象,把前级携带的高频杂波滤除,而去耦(decoupling)电容也称退耦电容,是把输出信号的干扰作为滤除对象。

去耦电容的应用

首先看下图USB 接口和供电电路 :

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左边这个电路,过了保险丝以后,接了一个470uF的电容C16,右边这个电路,经过开关后,接了一个100uF的电容C19,并且并联了一个0.1uF 的电容C10。其中C16和C19起到的作用是一样的,C10的作用和他们两个不一样,我们先来介绍这2个大一点的电容。

1、大容值电容的作用

容值比较大的电容,理论上可以理解成水缸或者水池子,同时,大家可以直接把电流理解成水流,其实大自然万物的原理都是类似的。

【作用一】缓冲作用。当上电的瞬间,电流从电源处流下来的时候,不稳定,容易冲击电子器件,加个电容可以起到缓冲作用。就如同我们直接用水龙头的水浇地,容易冲坏花花草草。我们只需要在水龙头处加个水池,让水经过水池后再缓慢流进草地,就不会冲坏花草,起到有效的保护作用。

【作用二】稳定作用。我们的一整套电路,后级电子器件的功率大小都不一样,而器件正常工作的时候,所需电流的大小也不是一成不变的。比如后级有个器件还没有工作的时候,电流消耗是100mA,突然它参与工作了,电流猛的增大到了150mA,这个时候如果没有一个水缸的话,电路中的电压(水位)就会直接突然下降,比如我们的5V电压突然降低到3V了。

而我们系统中有些电子元器件,必须高于一定的电压才能正常工作,电压太低就直接不工作了,这个时候水缸就必不可少了。电容会在这个时候把存储在里边的电量释放一下,稳定电压,当然,随后前级的电流会及时把水缸充满的。

有了这个电容,可以说我们的电压和电流就会很稳定了,不会产生大的波动。这种电容常用的有如图3-2、图3-3、图3-4 所示三种:

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这三种电容是最常用的三种,其中第一种个头大,占空间大,单位容量价格最便宜,第二种和第三种个头小,占空间小,性能一般也略好于第一种,但是价格也贵不少。当然,除了价格,还有一些特殊参数,在通信要求高的场合也要考虑很多。

2、电容的选取

第一个参数是耐压值的考虑。我们用的是5V系统,电容的耐压值要高于5V,一般1.5倍到2倍即可,有些场合稍微再高点也可以。

第二个参数是电容容值,这个就需要根据经验来选取了,选取的时候,要看这个电容起作用的整套系统的功率消耗情况,如果系统耗电较大,波动可能比较大,那么容值就要选大一些,反之可以小一些。

3、小容值电容的作用

我们再来看图3-1中的另一种电容C10,它容值较小,是0.1uF,也就是 100nF,是用来滤除高频信号干扰的。比如ESD,EFT等。我们初中学过电容的特性——可以通交流隔直流,但是电容的参数对不同频率段的干扰的作用是不一样的。

这个100nF的电容,是我们的前辈根据干扰的频率段,根据板子的参数,根据电容本身的参数所总结出来的一个值。也就是说,以后大家在设计数字电路的时候,在电源处的去耦高频电容,直接用这个 0.1uF就可以了,不需要再去计算和考量太多。

4、其他注意事项

在所有的IC器件的VCC和GND之间,都放一个0.1uF的高频去耦电容,特别在布板的时候,这个0.1uF电容要尽可能的靠近IC,尽量很顺利的与这个 IC的VCC和GND连到一起。

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电容在电路中可以起到的作用

电容是电子设计中最常用的元器件之一,那电容到底在电路中起到什么作用呢?

如何判断电容好坏

在测试中,若正向、反向均无充电的现象,即表针不动,则说明容量消失或内部断路;如果所测阻值很小或为零,说明电容漏电大或已击穿损坏,不能再使用。

VCC(电源)和 GND(地)之间电容的作用

这些电容,目的是使电源线和地线之间为低阻抗,电源接近理想电压源。你要说是滤波作用也可以,但需要弄清楚是滤什么波。不是滤电源的纹波,而是某芯片电流发生变化在电源线上造成的纹波,使其不影响其它芯片。

EMC分析时的5个重要属性

有人说过,世界上只有两种电子工程师:经历过电磁干扰的和没有经历过电磁干扰的。伴随着PCB信号频率的提升,电磁兼容设计是我们电子工程师不得不考虑的问题。

电磁干扰与去耦电容

电路的设计中存在很多 电磁干扰(EMI) 问题, 去耦电容 的应用场景就是减小电磁干扰,这一过程衍生出了另一个概念—— 电磁兼容(EMC) 。