电容在EMC设计中的应用

电容的分类

电容(Electric capacity)，由两个金属极，中间夹有绝缘材料（介质）构成。由于绝缘材料的不同，所构成的电容器的种类也有所不同：  
按结构可分为：固定电容，可变电容，微调电容。 
按介质材料可分为：气体介质电容，液体介质电容，无机固体介质电容，有机固体介质电容电解电容。  
按极性分为：有极性电容和无极性电容。无极性电容(主要指陶瓷电容)的参数(电介质材料类别，温度特性以及误差等参数)选择在一些设计中是比较关键的。表1为电容的温度与容量误差编码表。如X7R电容表示电容工作的温度范围是-55-125℃，容量变化范围是±15%。

 表1

常用的电容有 NP0、X7R、Y5V，主要区别是它们的填充介质不同。在相同的体积下由于填充介质不同所组成的电容器的容量就不同，随之带来的电容器的介质损耗、容量稳定性等也就不同。所以在使用电容器时应根据电容器在电路中作用不同来选用不同的电容器。
   
NPO电气性能稳定，适用于高稳定性、高频场合；X7R电气性能较稳定,随温度、时间、电压的变化,其特性变化并不明显，适用于要求较高的耦合、旁路、滤波电路及中频场合；Y5V具有很高的介电系数，常用于生产小体积，大容量的电容器，其容量随温度改变比较明显，但成本较低，仍广泛用于对容量，损耗要求不高的耦合、滤波、旁路等电路场合。

分类

用来给器件提供恒定的电流和电压，常用在电源模块上，属于低频范畴。能用作储能的电容都是有极性电容，常用的有铝电解电容和钽电解电容。
铝电解电容的特点：
容量大；
ESR,ESL大；
低频特性差。
一般用在电源输入输出端。
钽电解电容的特点：
ESR,ESL低；
高频特性好；
电压和容量低；
价格比铝电解电容高。
钽电解电容一般用在对电源稳定性要求较高且低电压的场合。

如何选择合适的电解电容

电解电容的选型2个重要的参数：耐压和容量。耐压一般是最高电压的1.2-1.5倍，这是系统降额设计需要考虑的问题。容量的选择有一个基本公式：
1/2C(ΔU)² = PΔt-----------------------------------------------------------(1)
ΔU是Δt时间内允许的最大电压差，这个是为了防止瞬间电源电压跌落给后级电路带来影响而采取的限值，其数值要参考电源的输入输出参数。
P是电解电容供电总功率。
根据公式(1)，
C = (2 PΔt)/ (ΔU)²
其计算依据就是电解电容要提供短暂和足额的功率输出。

去耦

去耦是通过咋信号线与电源平面间提供一个低阻抗的电源来实现的。在频率升到自谐振点之前，随着频率的升高，去耦电容的阻抗会越来越低，这样高频噪声会有效的从信号线上泄放，余下的低射频能量就没有什么影响了。

当元件开关消耗直流能量时，没有去耦电容的电源分配网络将发生一个瞬时尖峰，这主要是因为电源网络中存在一定的电感，而去耦电容能够提供一个局部的、电感小的电源，将电压保持在一个恒定的参考点，阻止了错误的逻辑转换。

去耦电容的另一个作用是提供局部的能量存储源，可以减小电源供电的辐射路径。电路中RF能量与IAf成正比，I是回路电流，A是回路面积，f是电流的频率，在I和f确定的条件下，减小回路面积变得非常重要。

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为什么要去耦

由于电源线总有不同程度的电感，当发生电流突变(在数字电路中经常发生电平切换，电流发生快速变化)，会有感应电压，这就是电源线上出现的噪声。当电源线上产生尖峰时，地线上也必然流过这个电流，电线上也有不同程度的电感，出现了地线噪声，对周期信号来说，噪声尖峰更加集中。
电容自谐振频率

实际上，所有的电容都包含一个LCR电路，L为引线电感，R是引线电阻，R2介质损耗电阻。

 图1 电容等效电路

图2 电容频率阻抗特性

在一定的频率上，L和C串联将提供非常低的阻抗，在自谐振点之上，电容将不再具有电容的特性，将变成一个电感！因此选择旁路和去耦电容时，并非取决于电容值的大小，而是电容的自谐振频率！在自谐振频率之下电容表现为容性，在自谐振频率之上，表现为感性，将减小RF去耦功能。因此，选择去耦电容容值时，必须保证要去耦的噪声频率在电容的自谐振频率之下。图3显示了常见电容的自谐振频率。

图3 电容的自谐振频率

注：0.25 inch 引脚寄生电感 L = 3.75 nH   0805 寄生电感 L = 1 nH

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去耦电容的应用策略

0.1uF电容和0.01uF电容是当今高速电路设计中最常用的去耦电容。一般表贴电容的自谐振点不会超过500MHz，0.01uF的表贴裸电容的自谐振点在50~150MHz之间，实际应用中引线电感的存在使得再小的电容的去耦频率上限不过超过300MHz.。这也是很多电路中即使工作频率再高，去耦电容也只用0.01uF的原因。解决这个问题的有效办法就是电容的并联。

去耦电容的并联
战略性的放置几个电容将会起到很好的去耦效果，在实际的应用中，两个电容并联能够提供更宽的抑制带宽，这两个电容必须有不同的数量级或容差100倍的关系(如0.1uF和0.001uF)，以达到最佳的效果。并联电容的总容值不是主要的，重要的因素是由并联电容产生的并联阻抗！
当功耗较大时，可以考虑多个相同容值的电容并联。

去耦电容的位置
去耦电容需要尽可能靠近芯片Vcc引脚处，这样可以减小布线电感，同样容值的电容，贴片的效果要好于插件，原因在于贴片电容内的引线电感要小于插件电容，一般采用多层陶瓷电容(MLCC)，封装越小，去耦效果越好。

为了提高去耦效果和频率，一般采用容值相差100倍的两个电容并联的方式。另外，在每个Vcc引脚处都应该放置一个去耦电容。有时，改变电容的连接方式和位置可以大大改善EMC性能。

去耦电容的应用场合
去耦电容一般用在数字电路的电源线和信号线上。对敏感的信号，可以在信号线上并联一个0.01uF的电容。

去耦电容与旁路电容的区别
去耦电容与旁路电路本质上没有区别。电源系统的电容本来就有多种用途,从为去除电源的耦合噪声干扰的角度看,我们可以把电容称为去耦电容(Decoupling),如果从为高频信号提供交流回路的角度考虑,我们可以称为旁路电容(By-pass)，因此实际上是一种东西。去耦和旁路属于滤波的范畴，去耦滤除的是少量无规律的交流部分，属于高频信号，一般选用陶瓷电容。