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旁路电容的作用【EMC学习】

旁路电容的作用【EMC学习】

【现象描述】

某工业产品的产品结构组成示意图如图1所示。该产品只有一块电路板,外壳是塑料材质,电源端有专门的接地端子。电路板分为模拟部分和数字部分,其间采用光电耦合器隔离。信号电缆长度大于3 m,除了电源端口外,信号端口也要进行EFT/B 等抗扰度试验。其中,EFT/B试验要求是土 2 kV。在试验时发现,信号电缆在±500V 试验时出现电路不正常工作现象,进一步分析,不正常的是数字电路部分。

旁路电容的作用【EMC学习】 博主推荐 第1张

原因分析

要分析此问题,首先从光电耦合器(简称光耦)谈起。光耦是一种隔离器件,在直流的情况下,可以使信号隔离其两侧,而且不影响信号的传输。但是有一点很重要的是,光耦并非在任何情况能做到100%的隔离,所谓的隔离仅仅指直流或低频的情况下,由于光耦其器件的特性,其两侧之间是存在结电容的,这个结电容的存在使得高频下的隔离成为 “不可能"。按照经验数据, 一般一个光耦的结电容是2 pF。可是千万不要忽略这个小的电容,而且在实际的产品中一般由于是多路信号传输,通常需要多个光耦并联,在本案例的产品中光耦的数量是5 个,因 此数字地与模拟地之间存在 2 pF x 5 = 10 pF 的电容。

在EFT/B试验的情况下,其干扰的共模电流流向如图2所示:

旁路电容的作用【EMC学习】 博主推荐 第2张

在图2中,箭头曲线表示 EFT/B 干扰的共模电流流向, 由于光耦分布结电容的存在,共模电流会经过光耦,流经数字电路。可见被光耦隔离的数字电路部分是受到EFT/B共模电流的影响的,当共模电流流过时,如果数字电路的地平面存在较大的地阻抗,如地平面不完整、过孔太多等,可能会产生较高的压降。

该压降超过一定的程度 ,电路就会受影响。

分析到这里,大概清楚了电路受干扰的区域 ,即共模电流流经的区域。如果共模电流不流经数字电流部分或只有很小的部分共模电流流经数字电路部分,那么产品在试验时出错的 可能也会降低。

按这个思路,在模拟电路的地与产品的接地端之间接旁路电容,值为10 nF,再进行测试 ,可以通过±1 k V 的EFT/B测试。

这样有EFT/B干扰的共模电流路径已经所有改变,即多了一条共模电流的路径,同时由于10nF的旁路电容远远大于10pF 的结电容,在旁路电容接地路径阻抗较短的情况下,必然使大部分的干扰共模电流从旁路电容流向大地,使流经数字电路的共模电流大大减小,数字电路受到了保护,以致EFT/B干扰度水平大大提高。

补充一点,旁路电容的接地阻抗很重要, 一定要保证很小的阻抗。在此再提一次, 如果是用 PCB 布线的话,长宽比小于5 的 PCB 铜箔具有很小的阻抗,在100 MHz的频率下约为3 mΩ。

处理措施

按照以上的分析及测试结果,在模拟电流地与保护地之间接旁路电容,值为10 nF。当然解决本案例所提及问题的方法有多种,将数字电路入口的信号做滤波处理;优化数字电路地平面等,但是此方法为最简单的一种。

思考与启示

  1. 被隔离的地不能单独悬空,一定要接到大地或通过旁路电容接到大地。如果有特殊原因不能这样处理,那么所有的信号都要进行滤波处理。

(2) 不得不提的是:很多人认为,甚至不少书籍中也提到可以在像本案例产品的模拟地与数字地之间串联磁珠来隔离两部分之间的噪声的相互传输,其实这种思路存在不可取之处,在此案例中,数字地与模拟地之间串联磁珠只会恶化抗干扰能力,试验也证明这一点。即使从 EMI 的角度来讲也是不可取的,具体分析可以参见案例“光耦两端的数字地与模拟地之间如何接”。

注:以上用例来自《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》

 

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