EMC设计中的电容应用：滤波、去耦与旁路
EMC设计中的电容应用：滤波、去耦与旁路
电容在EMC设计中扮演着至关重要的角色。从滤波、去耦到旁路，不同类型的电容在抑制电磁干扰方面发挥着独特的作用。本文将深入探讨电容在高频下的特性变化及其对EMC设计的影响，帮助工程师更好地理解和应用电容。
电容，行业的通用分类方法，一般分为滤波电容，去耦电容，旁路电容三大类。
电容的作用通常是储能，滤波，去耦，储能其实也是为了防止电源的波动，因此，电容基本可以说，都是电磁干扰滤波用的，以上可见，电容在EMC中的地位和重要作用。
滤波电容：通常用在电源整流后的电容，它是把整流电路交流成分整成脉动直流，通过电容充放电加以平滑。
反激开关电源，整流桥和整流二极管后面直流滤波电解电容就是滤波电容，滤波电容一般都是电解电容，容量较大，在微法级。
去耦电容：去除在器件切换时从高频器件进入到配电网络中的RF能量，去耦电容还可以为器件提供局部化的DC电压源，它在减少跨板浪涌电流方面特别有用，根据去耦电容的定义，去除器件自身生的干扰，这个电容就是去耦电容。
图形表达就是上面的图，滤除器件自身产生的干扰，避免对外的干扰，这个电容就叫去耦电容。
比如，滤除强干扰器件从电源，信号对外的干扰，这种应用的电容，我们叫去耦电容。
旁路电容：从元件或电缆中转移出不想要的共模RF能量。这主要是通过产生AC旁路消除无意的能量进入敏感的部分。
旁路电容是把耦合通道干扰的旁路，避免干扰敏感电路，比如，外界对敏感器件的干扰，滤波的电容就是旁路电容，把干扰旁路，不让进入敏感源。
示意图见上面的图。
EMC设计与整改时，其实最主要的，都是和旁路电容、去耦电容打交道，旁路电容，也是去耦电容的一部分，统称去耦电容，都是滤除电磁干扰的，不管外面的还是自己的，不再区分，统称为去耦电容。
我们平时使用的电感、电容、包括他们的组合电路，这类滤波器件，叫反射型滤波器件，原理是阻抗失配，通过阻抗失配，把电磁干扰发射回源头。
看上面这个图，是一个简单的干扰电路模型。在这个电路中，干扰源可以通过传输线直接把干扰施加在负载，从而对负载产生干扰，那么，我们要消除干扰源对负载的干扰，则必须滤除干扰，就可以加电容滤波，其原理就是就是去耦的原理，直接把干扰旁路使得负载得到保护。
电容在理想情况下，其阻抗与容量和频率成反比，所以，随着频率升高，电容阻抗降低，对于我们高频电磁干扰来说，电容为其提供了一个低阻抗回路，从而把干扰旁路回源头。
高频情况下，分布电容，分布电感等等，避免不了，都会存在，看图上的导线，理想情况就是一根导线，实际情况，高频时导线有引线电感，等效串联电阻，所以，成为电感和电阻的串联。
所以，原理图里面的模型，都是抽象化的模型，太理想了，从EMC观点来看，真正影响EMC性能的，其实是高频分布参数模型，比如共模，就是高频分布参数引起的，理想电容，高频时也不理想了。
实际电容，考虑到高频分布参数作用，就是上面的模型。
这个图，就是理想电容和实际电容的区别，理想电容，无高频分布参数引发的寄生特性，其随频率升高，阻抗线性降低。
而实际电容，有引线、管脚焊盘、到器件布线、过孔等，所以，高频时都存在寄生电感。
这个，就是实际电容的模型，高频时表现为电感和电容串联。此时，就构成了LC串联谐振电路，当达到某一频率时，电容与寄生电感会产生串联谐振，那么，根据LC串联谐振特性，谐振频点处必然有最低阻抗。
那么，使用频率阻抗特性图表达下，实际电容频率阻抗特性就是上图。
首先，电容在高频时必然有谐振，且在谐振点有最低阻抗。
其次，低于谐振频率的频段，电容还是表现为容性特性，随频率的升高阻抗一直降低，类似理想电容。
再者，在谐振频率之后，电容的阻抗随频率升高而增大，典型的电感特性，此时电容失去滤波特性。
所以，经过谐振频点之后，电容已经不是电容了，而是变成了电感。
电容变成电感后，麻烦就大了。因为，电容对地并联，低阻抗回路滤波，如果电容成了电感，对地并了个电感，电感随频率升高阻抗增大，电容就失去了滤波功能。
电容之所以高频时失去滤波特性，就是因为高频分布参数的原因使电容偏离了原有的参数。所以，要改善电容的高频滤波效果，就应尽量降低电容的引线电感，那么，电容的引线电感都有哪些部分构成？
其实，电容的引线电感，主要有三个原因：
电容的引脚长度、器件与电容间的走线长度、过孔。
看这个插装电容，引线很长，这个引线，就构成了很大的引线电感。
再看贴装电容，和插装电容区别就是，贴片电容没有引线，那么自身的引线电感大大减小，所以，影响电容引线电感的第一个因素，就是电容引脚的长度。
这是单板上，IC电源管脚电容的布局和布线，虽然说，这些去耦电容都是贴片的，但是，它要去耦的是IC电源，此时，电容和IC电源管脚、地管脚必然有一段布线，那么，这段布线，就构成了电容引线电感的第二个因素，电容越靠近器件管脚越好，就是为了降低引线电感，提高电容滤波的效果。
再来看第三个因素，电容，如果要打过孔到POW和GND平面，那么，这个过孔的电感也构成了电容引线电感的一部分。
所以，要计算谐振点真心不容易，知道了上面的因素，大家设计时电容尽量靠近IC，加宽电源和地线，过孔加粗，电容使用贴片电容等等，那么，之所以要费这么大精力去控制引线电感，其实就是为了降低谐振特性。
看电容谐振频率计算公式：
这个公式里面，F是谐振频率，L是引线电感，C是电容容量。
如果电容容量确定，降低引线电感，谐振频率会增大，意味着电容滤波频段增大。
其实，就相当于这个谐振频点增大，电容有效滤波频段更大。
同样的电容，电感减小，就可以增大谐振频率，滤除高频，这个设计时，我们很好控制，但，如果是实验室整改，怎么办？布线，过孔改变不了，怎么选择电容？
比如，上面的频谱图，辐射骚扰超标，超标频率大概在100-150M频段，怎么选择电容呢？
不同容值电容，谐振频率也不一样，而且，因为电容不是理想的，不可以随便拿个就行，如果选的电容，超标的频段在电容的感性阶段，就错了。
这个时候，就需要计算电容的谐振频率，让滤除的频段在电容的容性阶段。
实际电容的引线电感，计算困难重重，难度极大，效率极低，而在实验室整改时，都是争分多夺秒，计算下1小时2小时过去了。
在这里，给大家分享国外大咖总结的经验，实际选择时可以参考尝试，不用计算。
上面的表是不同容值电容的自谐振频率值，这个表，是根据大多数工程师的设计习惯，取的参数而计算出来的参考值。
有了这个经验数据，后面大家整改时，就可以根据超标频率，对照表格，选择合适的电容滤波。