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電磁干擾與去耦電容的作用
電路的設計中存在很多 電磁干擾(EMI)
問(wèn)題, 去耦電容
的應用場(chǎng)景就是減小電磁干擾,這一過(guò)程衍生出了另一個(gè)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(shí)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(jīng)歷,手觸碰到電腦外殼、鐵柜子等物品的時(shí)候會(huì )被電擊,這就是 靜電放電現象
,也稱(chēng)之為 ESD
。
2、快速瞬間群脈沖(EFT)
不知道有沒(méi)有同學(xué)有這樣的經(jīng)歷,早期我們使用電鉆這種電機設備,并且同時(shí)在聽(tīng)收音機或者看電視的時(shí)候,收音機或者電視會(huì )出現雜音,這就是 快速瞬間群脈沖
的效果,也稱(chēng)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(yōu)盤(pán)、移動(dòng)硬盤(pán)等外圍設備的時(shí)候,內部會(huì )產(chǎn)生一個(gè)百萬(wàn)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(chēng)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(wèn)題不要認為是小問(wèn)題,比如一個(gè)簡(jiǎn)單的靜電放電,我們用手能感覺(jué)到的靜電,可能已經(jīng)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(gè)電壓雖然很高,能量卻非常小,持續的時(shí)間非常短,因此不會(huì )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(guò)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(shí)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(chēng)呼就不一樣了。對于同一個(gè)電路來(lái)說(shuō),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(chēng)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(gè)電路,過(guò)了保險絲以后,接了一個(gè)470uF的電容C16,右邊這個(gè)電路,經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)后,接了一個(gè)100uF的電容C19,并且并聯(lián)了一個(gè)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(gè)不一樣,我們先來(lái)介紹這2個(gè)大一點(diǎn)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(shí),大家可以直接把電流理解成水流,其實(shí)大自然萬(wàn)物的原理都是類(lèi)似的。
【作用一】緩沖作用。當上電的瞬間,電流從電源處流下來(lái)的時(shí)候,不穩定,容易沖擊電子器件,加個(gè)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(gè)水池,讓水經(jīng)過(guò)水池后再緩慢流進(jìn)草地,就不會(huì )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(shí)候,所需電流的大小也不是一成不變的。比如后級有個(gè)器件還沒(méi)有工作的時(shí)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(gè)時(shí)候如果沒(méi)有一個(gè)水缸的話(huà),電路中的電壓(水位)就會(huì )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(gè)時(shí)候水缸就必不可少了。電容會(huì )在這個(gè)時(shí)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(huì )及時(shí)把水缸充滿(mǎn)的。
有了這個(gè)電容,可以說(shuō)我們的電壓和電流就會(huì )很穩定了,不會(huì )產(chǎn)生大的波動(dòng)。這種電容常用的有如圖3-2、圖3-3、圖3-4 所示三種:
這三種電容是*常用的三種,其中**種個(gè)頭大,占空間大,單位容量?jì)r(jià)格*便宜,**種和第三種個(gè)頭小,占空間小,性能一般也略好于**種,但是價(jià)格也貴不少。當然,除了價(jià)格,還有一些特殊參數,在通信要求高的場(chǎng)合也要考慮很多。
2、電容的選取
**個(gè)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(chǎng)合稍微再高點(diǎn)也可以。
**個(gè)參數是電容容值,這個(gè)就需要根據經(jīng)驗來(lái)選取了,選取的時(shí)候,要看這個(gè)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(dòng)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(lái)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(lái)濾除高頻信號干擾的。比如ESD,EFT等。我們初中學(xué)過(guò)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(gè)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(lái)的一個(gè)值。也就是說(shuō),以后大家在設計數字電路的時(shí)候,在電源處的去耦高頻電容,直接用這個(gè) 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(gè)0.1uF的高頻去耦電容,特別在布板的時(shí)候,這個(gè)0.1uF電容要盡可能的靠近IC,盡量很順利的與這個(gè) IC的VCC和GND連到一起。