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电容滤波的解析与EMC整改建议

【导读】众所周知,电容是各种电路板中极其重要的元器件之一。它的种类繁多,功能也是层出不穷,尤其以滤波功能出名。

一、电容的滤波作用

http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037373

● 即频率f越大,电容的阻抗Z越小。

● 当低频时,电容C由于阻抗Z比较大,有用信号可以顺利通过;

● 当高频时,电容C由于阻抗Z已经很小了,相当于把高频噪声短路到GND上去了。

二、电容滤波在何时会失效

整改中常常会使用电容这种元器件进行滤波,往往有“大电容滤低频,小电容滤高频”的说法。

以常见的表贴式MLCC陶瓷电容为例,进行等效模型如下:

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容值10nF,封装0603的X7R陶瓷的模型参数如下:

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由于等效模型中既有电容C,也有电感L,组成了二阶系统,就存在不稳定性。对电路回路来说,就是会发生谐振,谐振点在如下频率处:

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下图是谐振曲线的示例:

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即常说的在谐振点前是电容,谐振点之后就不再是电容了。

三、LC滤波何时使用

如果串联电感L,再并联组成C,就形成了LC滤波:

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单独一个电容C是一阶系统,单独一个电感L也是一阶系统,在幅值衰减斜率是-20dB。但LC组成的二阶系统,幅值衰减斜率是-40dB,更靠近理想的“立陡”的截止频率的效果,即滤波效果更好。

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四、PWM频率到底是多少

往往提到PWM,比如会说用20kHz PWM驱动电机等。但实际上,这个20kHz仅代表PWM的脉冲周期是50us:

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那么所谓的20kHz PWM在频域上的频率点落在哪里呢,如下公式:

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对于阶跃信号来说,由于上升时间tr无穷小,则频率f无穷大。当频率高了之后,寄生参数则不能在忽略,会引发很多谐振的问题。

从信号上来看,就是很陡峭的阶跃信号会有过冲和振荡的问题。简单来说就是频率f越大,则噪声所占的频率就会越宽泛,即EMC特性就会越差。

五、如何将原理图和PCB对应起来

由于细分工种的问题,原理图和PCB被割裂开来,由两组人进行分工作业:

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例如在原理图上有如下的电路:

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其隐含一个问题就是在PCB上其实V1的负极和C1的负极是有一条线(PCB layout工具软件中用的词比较准确,Trace,踪迹/轨迹)。

往往在设计阶段A->B->C是都会关注的。如果EMC出现问题,除了要在原理图上查找电路参数的问题,还需要特别关注C->D,即回流路径。

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如果回流路径不顺畅,会造成信号的畸变:

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比如在EMC试验时,MCU的ADC采集到的信号被干扰到了,则除了在原理图上分析外,在PCB上讲该信号高亮出来,然后再耐心寻找该信号的回流路径是否有不顺畅的地方:

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对着信号线头脑中想象回流路径,有点意识流的感觉。

六、总结

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