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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)
問題, 去耦電容
的應用場景就是減小電磁干擾,這一過程衍生出了另一個概念—— 電磁兼容(EMC)
。
電磁干擾(EMI)的例子?
1、靜電放電(ESD)
冬天的時候,尤其是空氣比較干燥的內(nèi)陸城市,很多朋友都有這樣的經(jīng)歷,手觸碰到電腦外殼、鐵柜子等物品的時候會被電擊,這就是 靜電放電現(xiàn)象
,也稱之為 ESD
。
2、快速瞬間群脈沖(EFT)
不知道有沒有同學有這樣的經(jīng)歷,早期我們使用電鉆這種電機設備,并且同時在聽收音機或者看電視的時候,收音機或者電視會出現(xiàn)雜音,這就是 快速瞬間群脈沖
的效果,也稱之為 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、移動硬盤等外圍設備的時候,內(nèi)部會產(chǎn)生一個百萬分之一秒的電源切換,直接導致電腦出現(xiàn)藍屏或者重啟現(xiàn)象,就是熱插拔的 浪涌
效果,稱之為 Surge
。
電磁干擾的內(nèi)容有很多,我們這里不能一一列舉,但是有些內(nèi)容非常重要。這些問題不要認為是小問題,比如一個簡單的靜電放電,我們用手能感覺到的靜電,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,只是因為這個電壓雖然很高,能量卻非常小,持續(xù)的時間非常短,因此不會對人體造成傷害。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(wěn)定的電源,同時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,稱呼就不一樣了。對于同一個電路來說,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 :
左邊這個電路,過了保險絲以后,接了一個470uF的電容C16,右邊這個電路,經(jīng)過開關后,接了一個100uF的電容C19,并且并聯(lián)了一個0.1uF 的電容C10。其中C16和C19起到的作用是一樣的,C10的作用和他們兩個不一樣,我們先來介紹這2個大一點的電容。
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,大家可以直接把電流理解成水流,其實大自然萬物的原理都是類似的。
【作用一】緩沖作用。當上電的瞬間,電流從電源處流下來的時候,不穩(wěn)定,容易沖擊電子器件,加個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水池,讓水經(jīng)過水池后再緩慢流進草地,就不會沖壞花草,起到有效的保護作用。
【作用二】穩(wěn)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候,所需電流的大小也不是一成不變的。比如后級有個器件還沒有工作的時候,電流消耗是100mA,突然它參與工作了,電流猛的增大到了150mA,這個時候如果沒有一個水缸的話,電路中的電壓(水位)就會直接突然下降,比如我們的5V電壓突然降低到3V了。
而我們系統(tǒng)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,這個時候水缸就必不可少了。電容會在這個時候把存儲在里邊的電量釋放一下,穩(wěn)定電壓,當然,隨后前級的電流會及時把水缸充滿的。
有了這個電容,可以說我們的電壓和電流就會很穩(wěn)定了,不會產(chǎn)生大的波動。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**種個頭大,占空間大,單位容量價格*便宜,**種和第三種個頭小,占空間小,性能一般也略好于**種,但是價格也貴不少。當然,除了價格,還有一些特殊參數(shù),在通信要求高的場合也要考慮很多。
2、電容的選取
**個參數(shù)是耐壓值的考慮。我們用的是5V系統(tǒng),電容的耐壓值要高于5V,一般1.5倍到2倍即可,有些場合稍微再高點也可以。
**個參數(shù)是電容容值,這個就需要根據(jù)經(jīng)驗來選取了,選取的時候,要看這個電容起作用的整套系統(tǒng)的功率消耗情況,如果系統(tǒng)耗電較大,波動可能比較大,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,是用來濾除高頻信號干擾的。比如ESD,EFT等。我們初中學過電容的特性——可以通交流隔直流,但是電容的參數(shù)對不同頻率段的干擾的作用是不一樣的。
這個100nF的電容,是我們的前輩根據(jù)干擾的頻率段,根據(jù)板子的參數(shù),根據(jù)電容本身的參數(shù)所總結出來的一個值。也就是說,以后大家在設計數(shù)字電路的時候,在電源處的去耦高頻電容,直接用這個 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0.1uF的高頻去耦電容,特別在布板的時候,這個0.1uF電容要盡可能的靠近IC,盡量很順利的與這個 IC的VCC和GND連到一起。