电磁干扰滤波电容器使用方法

电容器是电路中zui基本的元件之一，利用电容滤除电路上的高频骚扰和对电
源解耦是所有电路设计人员都熟悉的。但是，随着电磁干扰问题的日益突出，特
别是干扰频率的日益提高，由于不了解电容的基本特性而达不到预期滤波效果的
事情时有发生。本文介绍一些容易被忽略的影响电容滤波性能的参数及使用电容
器抑制电磁骚扰时需要注意的事项。

　　1电容引线的作用在用电容抑制电磁骚扰时，zui容易忽视的问题就是电容引
线对滤波效果的影响。电容器的容抗与频率成反比，正是利用这一特性，将电容
并联在信号线与地线之间起到对高频噪声的旁路作用。然而，在实际工程中，很
多人发现这种方法并不能起到预期滤除噪声的效果，面对顽固的电磁噪声束手无
策。出现这种情况的一个原因是忽略了电容引线对旁路效果的影响。

　　实际电容器的电路模型如图1 所示，它是由等效电感（ESL）、电容和等效
电阻（ESR ）构成的串联网络。

　　理想电容的阻抗是随着频率的升高降低，而实际电容的阻抗是图1所示的网
络的阻抗特性，在频率较低的时候，呈现电容特性，即阻抗随频率的增加而降低，
在某一点发生谐振，在这点电容的阻抗等于等效串联电阻ESR.在谐振点以上，由
于ESL 的作用，电容阻抗随着频率的升高而增加，这是电容呈现电感的阻抗特性。
在谐振点以上，由于电容的阻抗增加，因此对高频噪声的旁路作用减弱，甚至消
失。

　　电容的谐振频率由ESL 和C共同决定，电容值或电感值越大，则谐振频率越
低，也就是电容的高频滤波效果越差。ESL 除了与电容器的种类有关外，电容的
引线长度是一个十分重要的参数，引线越长，则电感越大，电容的谐振频率越低。
　　根据LC电路串联谐振的原理，谐振点不仅与电感有关，还与电容值有关，电
容越大，谐振点越低。许多人认为电容器的容值越大，滤波效果越好，这是一种
误解。电容越大对低频干扰的旁路效果虽然好，但是由于电容在较低的频率发生
了谐振，阻抗开始随频率的升高而增加，因此对高频噪声的旁路效果变差。表1
是不同容量瓷片电容器的自谐振频率，电容的引线长度是1.6mm （你使用的电容
的引线有这么短吗？）。

表1

　　尽管从滤除高频噪声的角度看，电容的谐振是不希望的，但是电容的谐振并
不是总是有害的。当要滤除的噪声频率确定时，可以通过调整电容的容量，使谐
振点刚好落在骚扰频率上。

　　2.温度的影响由于电容器中的介质参数受到温度变化的影响，因此电容器的
电容值也随着温度变化。不同的介质随着温度变化的规律不同，有些电容器的容
量当温度升高时会减小70% 以上，常用的滤波电容为瓷介质电容，瓷介质电容器
有超稳定型：COG 或NPO ，稳定型：X7R ，和通用型：Y5V 或Z5U 三种。

　　COG 电容器的容量几乎随温度没有变化，X7R 电容器的容量在额定工作温度
范围变化12% 以下，Y5V 电容器的容量在额定工作温度范围内变化70% 以上。这
些特性是必须注意的，否则会出现滤波器在高温或低温时性能变化而导致设备产
生电磁兼容问题。

　　COG 介质虽然稳定，但介质常数较低，一般在10～100 ，因此当体积较小时，
容量较小。X7R 的介质常数高得多，为2000～ 4000 ，因此较小的体积能产生较
大的电容，Y5V 的介质常数zui高，为5000～ 25000. 许多人在选用电容器时，片
面追求电容器的体积小，这种电容器的介质虽然具有较高的介质常数，但温度稳
定性很差，这会导致设备的温度特性变差。这在选用电容器时要特别注意，尤其
是在军用设备中。

　　3.电压的影响电容器的电容量不仅随着温度变化，还会随着工作电压变化，
这一点在实际工程必须注意。不同介质材料的电容器的电压特性如图3 所示。从
图中可以看出，X7R 电容器在额定电压状态下，其容量降为原始值的70% ，而Y5V
电容器的容量降为原始值的30% ！了解了这个特性，在选用电容时要在电压或电
容量上留出余量，否则在额定工作电压状态下，滤波器会达不到预期的效果。

　　5.穿心电容的使用在实际工程中，要滤除的电磁噪声频率往往高达数百MHz ，
甚至超过1GHz. 对这样高频的电磁噪声必须使用穿心电容才能有效地滤除。普通
电容之所以不能有效地滤除高频噪声，是因为两个原因，一个原因是电容引线电
感造成电容谐振，对高频信号呈现较大的阻抗，削弱了对高频信号的旁路作用；
另一个原因是导线之间的寄生电容使高频信号发生耦合，降低了滤波效果。穿心
电容之所以能有效地滤除高频噪声，是因为穿心电容不仅没有引线电感造成电容
谐振频率过低的问题，而且穿心电容可以直接安装在金属面板上，利用金属面板
起到高频隔离的作用。但是在使用穿心电容时，要注意的问题是安装问题。穿心
电容zui大的弱点是怕高温和温度冲击，这在将穿心电容往金属面板上焊接时造成
很大困难。许多电容在焊接过程中发生损坏。特别是当需要将大量的穿心电容安
装在面板上时，只要有一个损坏，就很难修复，因为在将损坏的电容拆下时，会
造成邻近其它电容的损坏。

　　随着电子设备复杂程度的提高，设备内部强弱电混合安装、数字逻辑电路混
合安装的情况越来越多，电路模块之间的相互骚扰成为严重的问题。解决这种电
路模块相互骚扰的方法之一是用金属隔离舱将不同性质的电路隔离开。但是所有
穿过隔离舱的导线要通过穿心电容，否则会造成隔离失效。当不同电路模块之间
有大量的联线时，在隔离舱上安装大量的穿心电容是十分困难的事情。为了解决
这个问题，国外许多厂商开发了“滤波阵列板”，这是用特殊工艺事先将穿心电
容焊接在一块金属板构成的器件，使用滤波阵列板能够轻而易举地解决大量导线
穿过金属面板的问题。但是这种滤波阵列板的价格往往较高，每针的价格约30元。

　　1999年，北京天亦通公司开发成功了TLZ – 1系列滤波阵列板（申请中）。
这种滤波阵列板的滤波性能接近国外产品，但价格仅为国外产品的1/10以下。TLZ
– 1系列滤波阵列板的密度是标准2.54mm，可以直接与扁平电缆插座配合，便于
安装，可广泛用于电子设备的滤波隔离。