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详解EMC的普通电子元器件选择

  0 引言
  随着信息化社会的发展,越来越多的电子产品经常在一起工作,它们之间的干扰也越来越严重,所以,电磁兼容(EMC)问题也就成为一个电子系统能否正常工作的关键。现在的电子产品一般都会有严格的EMC标准,而为了达到这些标准我们都会在系统设计中更多地考虑对于EMI的抑制或者减轻。但是对于系统而言最好能在单板设计的过程中就考虑这些问题,因为电路虽然工作在板级,但是可能对系统的其他部件辐射噪音、干扰,从而引起系统级的问题。而要在单板设计中就考虑EMC的问题,设计者就要从选择器件、设计电路和做PCB Layer等方面着手。对于设计电路和做PCB Layer方面已经有许多的规则和一般经验来考虑EMI的问题,例如增加走线之间的距离减少电容耦合的干扰;将电源和地平行布置来最大化PCB的电容;将敏感及高频的走线尽量远离高干扰的电源走线;加宽电源和地的走线来减少电源线和地线之间的阻抗等。
  本文主要从元器件的选择,尤其是普通的电子元器件方面来考虑对于EMI的抑制。对于单板电路设计而言,我们不可能将EMC放在首要位置来考虑,但是在不影响电路功能的前提下,对于一些普通电子元器件的优化选择,尤其是电阻、电容和电感的优化选择,会对EMC的提高起到到事半功倍的作用。每种电子元器件都有自己的特性,所以元器件的选择在电路设计中就显得尤为重要,以下主要从电阻、电容、电感以及集成电路四方面的选择来考虑对于EMI的抑制。
  1 电阻的选择
  在单板电路设计中,电阻是最普通也是最常用的元器件。但电阻的种类十分繁多,各个类型都有自己的优缺点和合适的使用场合,因此在合适的电路中选择适合的电阻显得尤为重要,有以下一些一般指导可供参考:
  从封装形式上来看,表面贴装的电阻比插装的电阻的寄生效应更低,所以首要选择表面贴装的电阻。
  从有铅封装和无铅封装上看,无铅封装的器件肯定优选。有铅封装的元器件存在着寄生效应,尤其在高频范围内,铅构成了一个低值电感,大概1nH/mm lead。在终端也可以产生一个小的电容效应,在4pf左右,因此应尽可能地减少铅的长度。无铅的元器件相较而言有更小的寄生效应,大约为1nH/mm lead电感效应和0.3pf左右的终端电容。
  对于有铅封装的电阻而言也有选择顺序,由高到低的选择次序为:碳膜电阻、金属氧化膜电阻、线绕电阻。金属氧化膜电阻在低频(MHz以下)有显性的寄生影响,所以它一般适合用在大功率密度和高精度的电路中,这就是我们在精密电阻中往往选择金属氧化膜电阻的原因。线绕电阻有很高的敏感度,所以应当避免在频率敏感的电路中应用,线绕电阻最好在大功率处理电路中使用。
  在不同的应用电路中,电阻放置的位置也尤为重要。在放大电路设计中,电阻的选择极为重要。在高频范围内,由于在电阻上的感应影响,阻抗会增大,所以增益调整的电阻应尽可能地放置在靠近放大电路的地方,来降低电路板的感应系数;在上拉、下拉电阻的电路中,晶体管和IC电路的快速通断会引起开关噪音。为了降低这种影响,所有的偏置电阻都应当尽可能地放在靠近有源器件的地方;在稳压及相关电路中,直流偏置电阻都应当尽可能地放在靠近有源器件的地方来降低去耦影响;其次在我们常用的RC滤波网络中,必须考虑电阻的感应影响,因为线绕电阻的寄生感应极容易引起本地振荡。
  2 电容的选择
  电容是解决许多EMC问题的重要器件,但是电容有不同的类型和行为反应,所以电容的选择并不是一件容易的事情。这里我们就最普通的电容的类型、特性和用法等来阐述电容的选择。
  我们最常用的电容有:铝电解电容、钽电容、陶瓷电容。
  铝电解电容通常是在两个电解质中间缠上螺旋状的金属箔构成,每单位体积可以达到很高的电容值,但是也增加了内部的感应系数;钽电容由带直接焊盘和脚位连接的块电解质构成,它有比电解电容小的感应系数;陶瓷电容由多层的金属和陶瓷介质组成,在低于1MHz的频率范围内有显性的寄生效应。不同类型的电容有着不同的介质,而不同的介质对不同的频率有不同的响应,所以说电容的选择和使用的频率范围有着密切的关系。铝和钽电解电容在低频结尾处有优势,主要在蓄能和低频电路中使用;在中频范围内(kHz~MHz)陶瓷电容有优势,主要用作去耦和高频滤波;低漂移的陶瓷电容和云母电容主要用在超高频或者微波电路中。
  不管什么类型的电容,我们一般都用作两个方面,旁路和去耦。所以我们也可以根据应用场合将电容分为旁路电容和去耦电容两大类。对于同一个电路来说,旁路(bypass)电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象,把前级携带的高频杂波滤除,旁路电容的主要作用是对于交流旁路,滤掉从敏感区域进入的干扰。旁路电容主要担当高频的旁路器件,来减少在电源部分的瞬态电流的要求。通常,铝和钽电容是旁路电容的最佳选择,它们的取值取决于PCB上瞬态电流的需要,通常取值在10~470UF。而去耦(decoupling)电容也称退耦电容,是把输出信号的干扰作为滤除对象。去耦电容的作用是局部稳定有源器件的直流电源,减少通过板子传播的开关噪音,将这些噪音去耦到地。