硬件 | 电磁干扰与去耦电容

Posted 2022-03-19 嵌入式大杂烩

来源：http://www.qdkingst.com/cn

大家好，我是杂烩君。过去，咱们公众号的内容都过于单调，只分享了嵌入式软件相关的内容。现开始引入一些硬件相关的知识整理分享，软硬结合嘛。我最近也在开始学习硬件，一起加油！

电路的设计中存在很多 电磁干扰（EMI） 问题， 去耦电容 的应用场景就是减小电磁干扰，这一过程衍生出了另一个概念—— 电磁兼容（EMC） 。

电磁干扰（EMI）的例子？

1、静电放电（ESD）

冬天的时候，尤其是空气比较干燥的内陆城市，很多朋友都有这样的经历，手触碰到电脑外壳、铁柜子等物品的时候会被电击，这就是 静电放电现象 ，也称之为 ESD 。

2、快速瞬间群脉冲（EFT）

不知道有没有同学有这样的经历，早期我们使用电钻这种电机设备，并且同时在听收音机或者看电视的时候，收音机或者电视会出现杂音，这就是 快速瞬间群脉冲 的效果，也称之为 EFT 。

3、浪涌（Surge）

以前的老电脑，有的性能不是很好，带电热插拔优盘、移动硬盘等外围设备的时候，内部会产生一个百万分之一秒的电源切换，直接导致电脑出现蓝屏或者重启现象，就是热插拔的 浪涌 效果，称之为 Surge 。

电磁干扰的内容有很多，我们这里不能一一列举，但是有些内容非常重要。这些问题不要认为是小问题，比如一个简单的静电放电，我们用手能感觉到的静电，可能已经达到3KV以上了。

如果用眼睛能看得到的，至少是5KV了，只是因为这个电压虽然很高，能量却非常小，持续的时间非常短，因此不会对人体造成伤害。但是我们应用的这些半导体元器件就不一样了，一旦瞬间电压过高，就有可能造成器件的损坏。

去耦电容的概念

去耦电容 是电路中装设在元件的电源端的电容，此电容可以提供较稳定的电源，同时也可以降低元件耦合到电源端的噪声，间接可以减少其他元件受此元件噪声的影响。

在电子电路中， 去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用 ，电容所处的位置不同，称呼就不一样了。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，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。

去耦电容的应用

首先看下图USB 接口和供电电路 ：

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左边这个电路，过了保险丝以后，接了一个470uF的电容C16，右边这个电路，经过开关后，接了一个100uF的电容C19，并且并联了一个0.1uF 的电容C10。其中C16和C19起到的作用是一样的，C10的作用和他们两个不一样，我们先来介绍这2个大一点的电容。

1、大容值电容的作用

容值比较大的电容，理论上可以理解成水缸或者水池子，同时，大家可以直接把电流理解成水流，其实大自然万物的原理都是类似的。

【作用一】缓冲作用。当上电的瞬间，电流从电源处流下来的时候，不稳定，容易冲击电子器件，加个电容可以起到缓冲作用。就如同我们直接用水龙头的水浇地，容易冲坏花花草草。我们只需要在水龙头处加个水池，让水经过水池后再缓慢流进草地，就不会冲坏花草，起到有效的保护作用。

【作用二】稳定作用。我们的一整套电路，后级电子器件的功率大小都不一样，而器件正常工作的时候，所需电流的大小也不是一成不变的。比如后级有个器件还没有工作的时候，电流消耗是100mA，突然它参与工作了，电流猛的增大到了150mA，这个时候如果没有一个水缸的话，电路中的电压（水位）就会直接突然下降，比如我们的5V电压突然降低到3V了。

而我们系统中有些电子元器件，必须高于一定的电压才能正常工作，电压太低就直接不工作了，这个时候水缸就必不可少了。电容会在这个时候把存储在里边的电量释放一下，稳定电压，当然，随后前级的电流会及时把水缸充满的。

有了这个电容，可以说我们的电压和电流就会很稳定了，不会产生大的波动。这种电容常用的有如图3-2、图3-3、图3-4 所示三种：

这三种电容是最常用的三种，其中第一种个头大，占空间大，单位容量价格最便宜，第二种和第三种个头小，占空间小，性能一般也略好于第一种，但是价格也贵不少。当然，除了价格，还有一些特殊参数，在通信要求高的场合也要考虑很多。

2、电容的选取

第一个参数是耐压值的考虑。我们用的是5V系统，电容的耐压值要高于5V，一般1.5倍到2倍即可，有些场合稍微再高点也可以。

第二个参数是电容容值，这个就需要根据经验来选取了，选取的时候，要看这个电容起作用的整套系统的功率消耗情况，如果系统耗电较大，波动可能比较大，那么容值就要选大一些，反之可以小一些。

3、小容值电容的作用

我们再来看图3-1中的另一种电容C10，它容值较小，是0.1uF，也就是 100nF，是用来滤除高频信号干扰的。比如ESD，EFT等。我们初中学过电容的特性——可以通交流隔直流，但是电容的参数对不同频率段的干扰的作用是不一样的。

这个100nF的电容，是我们的前辈根据干扰的频率段，根据板子的参数，根据电容本身的参数所总结出来的一个值。也就是说，以后大家在设计数字电路的时候，在电源处的去耦高频电容，直接用这个 0.1uF就可以了，不需要再去计算和考量太多。

4、其他注意事项

在所有的IC器件的VCC和GND之间，都放一个0.1uF的高频去耦电容，特别在布板的时候，这个0.1uF电容要尽可能的靠近IC，尽量很顺利的与这个 IC的VCC和GND连到一起。

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