电容在PCB电磁兼容设计中的选择

1、    电容在pcb电磁兼容设计中的选择    王键张宗寅袁燕燕摘 要：针对电气设备降低电路或元件发射和接收有害射频的能量，并满足所需的电磁兼容水平的目的，必须恰当地选择电容。文章主要从信号完整性方面讨论了在pcb电磁兼容设计中整形电容、旁路和退耦电容、储能电容的选择依据与计算方法。通过工程实践证明选择电容的方法合适且参数精确，对pcb电磁兼容设计具有指导作用。关键词：电磁兼容；电容；信号整形；储能；退耦；旁路：tn406 文献标志码：a ：2095-2945（2018）04-0101-04abstract： for the purpose of red

2、ucing the energy of the circuit or component to transmit and receive harmful radio frequency （rf） and to meet the required level of emc， the capacitance must be properly selected. this paper mainly discusses the selection basis and calculation method of shaping capacitance， bypass and decoupling cap

3、acitance and energy storage capacitance in pcb emc design from the aspect of signal integrity. through engineering practice， it is proved that the method of selecting capacitance is suitable and the parameters are accurate， which can guide the design of pcb emc.keywords： electromagnetic compatibilit

4、y； capacitance； signal shaping； energy storage； decoupling； bypass引言电磁兼容（emc）是指电子和电气系统、设备和装置在其正常运行的电磁环境中，能按照预先的设计要求运行，正常运行中产生的电磁干扰在一定的安全范围内，并对其运行环境中的电磁干扰具有一定的抗干扰性1。进行电磁兼容性设计的目标是保证设计的产品在预定的电磁环境下能够正确可靠地操作和运行。特别是在现在arm或fpga等高速或高频电路设计中电磁干扰的危害越来越大，因此，在pcb电磁兼容设计时电容的选择至关重要。1 电磁干扰的类型电磁干扰（emi）从本质上说就是缺乏电磁兼容性，

5、是有害电磁能量由一个电子设备经辐射或传导传送到另一个电子设备的过程，在实际应用中特别一般是射频（rf）信号的电磁干扰2。常见的电磁干扰主要分为电子系统在正常运行时自身产生的内部干扰和外部信号干扰。内部干扰指信号在传输过程中由于元件之间的耦合、pcb板走线和元器件自身的寄生参数耦合引起，会使信号之间产生相互干扰、衰减和变形。外部干扰一般有周期性的信号产生的谐波引起或者电子设备本身的抗干扰度不够引起。对产品进行emc设计时主要考虑干扰源五方面内容，即：频谱范围、幅度、时间、阻抗、尺度3。只要找到emi问题的根源，在pcb设计时结合以上五方面就能搞清楚发生emi问题的原因。在pcb设计时，由于电流总

6、是沿一个或多个闭合回路流动，因此在电流和电压两者中更关注电流流动，电子设备要想实现预先设计的功能，就必须引导信号沿着设计好的电路流动，同时将干扰源和负载之间的线路设计成高阻抗路径，将干扰源和地之间的路径设计为低阻抗路径，确保射频干扰信号能对地短路，以便转移干扰电流使之远离负载或易受干扰电路。2 电容的选择2.1 信号整形电容电容能对pcb中各信号线上的差模信号整形。电容能改变信号边沿变化速率，能使信号由逻辑状态0向逻辑状态1跃变的信号沿变得平缓。图1描述了时钟信号切换速率变化的情形，在切换幅度不变的情况下，切换时间tr已经有很大改变，信号沿被延长或变慢是由电容的充放电引起的。关于切换时间的改变

7、，图2是电容的充放电方程，使用了未加负载的戴维南等效电路。驱动器或时钟电路的内部电压源是vb，内部串联电阻式rs。用图2中的公式可以计算出图1中电容所引起的时间变化。对信号边沿跃变使用傅里叶分析，会发现此时减少了相当的rf能量，整体频谱能量也有所下降，emi性能得到改善4。在设计中还应注意，变缓的边沿速率不应影响到元件正常工作性能。对信号整形所用电容值一般有两种计算方法。根据特定谐振频率可算出最优性能的电容值，实际应用中还应考虑到安装元件的引脚电感、引线电感以及其他可能影响电容谐振频率的寄生参数。在计算信号整形滤波电容之前，必须先确定戴维南等效网络的阻抗。方法1：使用式（1）来确定整形电容的最

8、大值。已知时钟信号的边沿速率是：使用電容调整信号边沿跳变特性时，还应注意：如果变缓的边沿速率在可接受的范围内，一般使用计算值cmax的三倍作为新的上限；要根据使用环境选用正确额定电压及合适材质的电容；电容的精度在+80%/-0%的偏差对供电滤波可以接受，但对高频信号则不可接受；安装电容尽量使用最短引脚和最短引线；大容量电容会使信号过度失真，要注意电路是否因安装了电容而影响其正常功能。2.2 储能电容储能电容作用是确保提供足够稳定的直流电压和电流，尤其是数字器件在最大容性负载状态下同时传送数据、地址和控制信号时，元件将此时瞬态电流送到所有输出负载，每个负载都要消耗电流，负载数目越多通过驱动源的电

9、流就越大。另外元件的逻辑状态切换也会引起电源的电流波动，这种波动会导致电源电压下跌并影响到其他元件。储能电容为电路提供能量储备，使电压和电流维持在最佳稳定状态。如图3所示，在一块pcb板中，均匀排列的容量较大的钽电容保证了这块pcb板上同一电压的值保持不变。endprint元件的直流供电不仅需要高频退耦，而且也需要钽介质储能电容，用来降低射频信号对电源的影响，每两个集成电路和超大规模集成电路需要一个储能电容，一般靠近供电连接器入口处，连接子板、外设及辅助电路的电源端子附近，大功率数字元件附近，离电源输入端子最远的位置，远离电源输入端子的元件高密度区域，时钟电路附近，存储器附近都需要放置储能电容

10、。储能电容耐压值一般为电源额定电压的二倍，这样可有效防止电压波动时损毁电容器5。式（3）可以用来计算所有电容所消耗的峰值冲击电流，过多的储能电容会拉动大量电流，增大供电压力，并不是越多越好。在高速pcb设计时，选择储能电容还要考虑谐振、pcb布局、引脚电感、电源和地平面的影响。选择储能电容的一般步骤为：（1）先估算电路板上的最大消耗电流（i），必须考虑到当所有逻辑门同时切换时因逻辑交叠-传导电流对电源波动带来的影响。（2）有电路的运行状态计算出电路的最大电压变化（v），乘以安全系数留出余量。2.3 退耦和旁路电容旁路和退耦是指把能量从一个电路转移到另一个电路，用于提高电路的供电质量。在pcb布

11、线时要考虑电源和地平面及元件和内部电源连接面。退耦用来除去高频元件进入电源分配网络的射频能量，保证元件引脚在接有最大容性负载的状态下，同时切换逻辑电平时有足够的动态电压和电流，使电源一直处于低阻抗状态，对抑制电路板上尖峰电流冲击至关重要6，如图4所示。旁路是将来自元件或电线耦合的无用射频噪声从一个区域移除，对于滤波和防止干扰进入敏感区域是不可缺少的，如图5所示。信号周期性切换的元件必须进行射频退耦，用于防止切换能量冲击灌入电源和地分配系统，如果不进行射频退耦这些能量会以共模或者差模的形式传播到其它电路。一般选用钽电容和高频陶瓷电容，正确的选择退耦电容，要结合pcb的自谐振频率，退耦电容的自谐振

12、频点必须高于需要抑制的时钟谐波或开关频率，对于信号沿速率小于2ns的电路，电容自谐振频率一般选在1030mhz之间。选择旁路和退耦电容要根据逻辑器件和电路的时钟速度计算储电容量和放电频率，电容值的大小根据电容所在电路的阻抗决定，在频率低于自谐振频率时，电容具有电容特性，高于自谐振频点以后，因受引脚和引线的影响，电容开始表现出电感特性，电感特性削弱了电容的退耦，同时滤除电源和地之间射频干扰的功能7，表1列出了两种陶瓷电容的谐振频率。挑选和使用退耦电容时的另一个重要参数是引脚电感，smt电容以其较低的引脚电感在高频特性上优于通孔安装电容，表2给出了一个15nh电感的阻抗幅频特性。表1和表2适用于选

13、取带有轴向或径向引脚的电容，表面粘贴元件引脚电感小，自谐振频率比普通元件高出约100倍，铝电解电容不能用于高频退耦，一般适用于电源子系统或电源线滤波；常用的0.1f退耦电容的感性很强，无法提供50mhz一样的充电电流。3 pcb板中退耦和旁路电容的选择（1）电容的选择要按照其产品设计手册中的自谐振频率为选择基础，使其满足电子设备设计时钟速率的需要和对噪声信号的抑制。（2）为了达到预期的退耦效果，在所需的频率范围内，要尽量多增加退耦电容，如图6所示，22nf电容的有用阻抗的频率范围为6m40mhz，为了避开其自谐振频率11mhz左右的频率段，必须在6m40mhz的频率范围内尽量多的加电容已达到所

14、需的退耦效果。（3）为了减少寄生阻抗，一般在集成块每个电源引脚的附近都要放置至少一个退耦电容。（4）在同一个pcb板层上放置集成块和旁路电容，图7中过孔的附加阻抗帮助避免了噪声向系统其余部分的扩散9。4 结束语恰当的选择电容在pcb电磁兼容设计中相当重要，这样可以节约成本、增强性能、提高可靠性，能达到产品设计的预期性能。以上电容的选择方法是笔者多年pcb电磁兼容设计方法的总结，对pcb设计中满足电磁兼容性有一定的指导意义。参考文献：1montrose.printed circuit board design techniques for emc compliancem.piscataway，ieee press，2013，12.2johnson.high speed digital designm.englewood cliffs，prentice hall，2013.3黄盛霖，姜海勋.混合印制电路板的电磁兼容设计j.电子产品可靠性与环境试验，2005（02）.4朱玉堂，許力.变频器的电磁兼容及抑制j.机电工程，2005（05）.5杨建华，刘承，舒晓武.电磁干扰在数字电路板设计中的研究j.实验室研究与探索，2003（02）.6吕英华.信号完整性分析