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          電磁干擾與去耦電容的作用

          發布時間:2022-11-04 13:14

          電路的設計中存在很多 電磁干擾(EMI)問題,去耦電容的應用場景就是減小電磁干擾,這一過程衍生出了另一個概念—— 電磁兼容(EMC) 。

          電磁干擾(EMI)的例子?

          1、靜電放電(ESD)

          冬天的時候,尤其是空氣比較干燥的內陸城市,很多朋友都有這樣的經歷,手觸碰到電腦外殼、鐵柜子等物品的時候會被電擊,這就是 靜電放電現象 ,也稱之為 ESD 。

          2、快速瞬間群脈沖(EFT)

          不知道有沒有同學有這樣的經歷,早期我們使用電鉆這種電機設備,并且同時在聽收音機或者看電視的時候,收音機或者電視會出現雜音,這就是快速瞬間群脈沖的效果,也稱之為 EFT 。

          3、浪涌(Surge)

          以前的老電腦,有的性能不是很好,帶電熱插拔優盤、移動硬盤等外圍設備的時候,內部會產生一個百萬分之一秒的電源切換,直接導致電腦出現藍屏或者重啟現象,就是熱插拔的 浪涌效果,稱之為 Surge 。

          電磁干擾的內容有很多,我們這里不能一一列舉,但是有些內容非常重要。這些問題不要認為是小問題,比如一個簡單的靜電放電,我們用手能感覺到的靜電,可能已經達到3KV以上了。

          如果用眼睛能看得到的,至少是5KV了,只是因為這個電壓雖然很高,能量卻非常小,持續的時間非常短,因此不會對人體造成傷害。但是我們應用的這些半導體元器件就不一樣了,一旦瞬間電壓過高,就有可能造成器件的損壞。

          去耦電容的概念

          去耦電容是電路中裝設在元件的電源端的電容,此電容可以提供較穩定的電源,同時也可以降低元件耦合到電源端的噪聲,間接可以減少其他元件受此元件噪聲的影響。

          在電子電路中,去耦電容和旁路電容都是起到抗干擾的作用 ,電容所處的位置不同,稱呼就不一樣了。對于同一個電路來說,旁路(bypass)電容是把輸入信號中的高頻噪聲作為濾除對象,把前級攜帶的高頻雜波濾除,而去耦(decoupling)電容也稱退耦電容,是把輸出信號的干擾作為濾除對象。

          去耦電容的應用

          首先看下圖USB 接口和供電電路 :

          左邊這個電路,過了保險絲以后,接了一個470uF的電容C16,右邊這個電路,經過開關后,接了一個100uF的電容C19,并且并聯了一個0.1uF 的電容C10。其中C16和C19起到的作用是一樣的,C10的作用和他們兩個不一樣,我們先來介紹這2個大一點的電容。

          1、大容值電容的作用

          容值比較大的電容,理論上可以理解成水缸或者水池子,同時,大家可以直接把電流理解成水流,其實大自然萬物的原理都是類似的。

          【作用一】緩沖作用。當上電的瞬間,電流從電源處流下來的時候,不穩定,容易沖擊電子器件,加個電容可以起到緩沖作用。就如同我們直接用水龍頭的水澆地,容易沖壞花花草草。我們只需要在水龍頭處加個水池,讓水經過水池后再緩慢流進草地,就不會沖壞花草,起到有效的保護作用。

          【作用二】穩定作用。我們的一整套電路,后級電子器件的功率大小都不一樣,而器件正常工作的時候,所需電流的大小也不是一成不變的。比如后級有個器件還沒有工作的時候,電流消耗是100mA,突然它參與工作了,電流猛的增大到了150mA,這個時候如果沒有一個水缸的話,電路中的電壓(水位)就會直接突然下降,比如我們的5V電壓突然降低到3V了。

          而我們系統中有些電子元器件,必須高于一定的電壓才能正常工作,電壓太低就直接不工作了,這個時候水缸就必不可少了。電容會在這個時候把存儲在里邊的電量釋放一下,穩定電壓,當然,隨后前級的電流會及時把水缸充滿的。

          有了這個電容,可以說我們的電壓和電流就會很穩定了,不會產生大的波動。這種電容常用的有如圖3-2、圖3-3、圖3-4 所示三種:

          電磁干擾與去耦電容的作用
          電磁干擾與去耦電容的作用

          這三種電容是最常用的三種,其中第一種個頭大,占空間大,單位容量價格最便宜,第二種和第三種個頭小,占空間小,性能一般也略好于第一種,但是價格也貴不少。當然,除了價格,還有一些特殊參數,在通信要求高的場合也要考慮很多。

          2、電容的選取

          第一個參數是耐壓值的考慮。我們用的是5V系統,電容的耐壓值要高于5V,一般1.5倍到2倍即可,有些場合稍微再高點也可以。

          第二個參數是電容容值,這個就需要根據經驗來選取了,選取的時候,要看這個電容起作用的整套系統的功率消耗情況,如果系統耗電較大,波動可能比較大,那么容值就要選大一些,反之可以小一些。

          3、小容值電容的作用

          我們再來看圖3-1中的另一種電容C10,它容值較小,是0.1uF,也就是 100nF,是用來濾除高頻信號干擾的。比如ESD,EFT等。我們初中學過電容的特性——可以通交流隔直流,但是電容的參數對不同頻率段的干擾的作用是不一樣的。

          這個100nF的電容,是我們的前輩根據干擾的頻率段,根據板子的參數,根據電容本身的參數所總結出來的一個值。也就是說,以后大家在設計數字電路的時候,在電源處的去耦高頻電容,直接用這個 0.1uF就可以了,不需要再去計算和考量太多。

          4、其他注意事項

          在所有的IC器件的VCC和GND之間,都放一個0.1uF的高頻去耦電容,特別在布板的時候,這個0.1uF電容要盡可能的靠近IC,盡量很順利的與這個 IC的VCC和GND連到一起。


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