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電容濾波的解析與EMC整改建議
發(fā)布時(shí)間:2019-12-25 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】眾所周知,電容是各種電路板中極其重要的元器件之一。它的種類繁多,功能也是層出不窮,尤其以濾波功能出名。
一、電容的濾波作用
● 即頻率f越大,電容的阻抗Z越小。
● 當(dāng)?shù)皖l時(shí),電容C由于阻抗Z比較大,有用信號(hào)可以順利通過;
● 當(dāng)高頻時(shí),電容C由于阻抗Z已經(jīng)很小了,相當(dāng)于把高頻噪聲短路到GND上去了。
二、電容濾波在何時(shí)會(huì)失效
整改中常常會(huì)使用電容這種元器件進(jìn)行濾波,往往有“大電容濾低頻,小電容濾高頻”的說法。
以常見的表貼式MLCC陶瓷電容為例,進(jìn)行等效模型如下:
容值10nF,封裝0603的X7R陶瓷的模型參數(shù)如下:
由于等效模型中既有電容C,也有電感L,組成了二階系統(tǒng),就存在不穩(wěn)定性。對(duì)電路回路來說,就是會(huì)發(fā)生諧振,諧振點(diǎn)在如下頻率處:
下圖是諧振曲線的示例:
即常說的在諧振點(diǎn)前是電容,諧振點(diǎn)之后就不再是電容了。
三、LC濾波何時(shí)使用
如果串聯(lián)電感L,再并聯(lián)組成C,就形成了LC濾波:
單獨(dú)一個(gè)電容C是一階系統(tǒng),單獨(dú)一個(gè)電感L也是一階系統(tǒng),在幅值衰減斜率是-20dB。但LC組成的二階系統(tǒng),幅值衰減斜率是-40dB,更靠近理想的“立陡”的截止頻率的效果,即濾波效果更好。
四、PWM頻率到底是多少
往往提到PWM,比如會(huì)說用20kHz PWM驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。但實(shí)際上,這個(gè)20kHz僅代表PWM的脈沖周期是50us:
那么所謂的20kHz PWM在頻域上的頻率點(diǎn)落在哪里呢,如下公式:
對(duì)于階躍信號(hào)來說,由于上升時(shí)間tr無窮小,則頻率f無窮大。當(dāng)頻率高了之后,寄生參數(shù)則不能在忽略,會(huì)引發(fā)很多諧振的問題。
從信號(hào)上來看,就是很陡峭的階躍信號(hào)會(huì)有過沖和振蕩的問題。簡單來說就是頻率f越大,則噪聲所占的頻率就會(huì)越寬泛,即EMC特性就會(huì)越差。
五、如何將原理圖和PCB對(duì)應(yīng)起來
由于細(xì)分工種的問題,原理圖和PCB被割裂開來,由兩組人進(jìn)行分工作業(yè):
例如在原理圖上有如下的電路:
其隱含一個(gè)問題就是在PCB上其實(shí)V1的負(fù)極和C1的負(fù)極是有一條線(PCB layout工具軟件中用的詞比較準(zhǔn)確,Trace,蹤跡/軌跡)。
往往在設(shè)計(jì)階段A->B->C是都會(huì)關(guān)注的。如果EMC出現(xiàn)問題,除了要在原理圖上查找電路參數(shù)的問題,還需要特別關(guān)注C->D,即回流路徑。
如果回流路徑不順暢,會(huì)造成信號(hào)的畸變:
比如在EMC試驗(yàn)時(shí),MCU的ADC采集到的信號(hào)被干擾到了,則除了在原理圖上分析外,在PCB上講該信號(hào)高亮出來,然后再耐心尋找該信號(hào)的回流路徑是否有不順暢的地方:
對(duì)著信號(hào)線頭腦中想象回流路徑,有點(diǎn)意識(shí)流的感覺。
六、總結(jié)
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