薄膜電容器在EMC領域中的應用

薄膜電容器在EMC領域中的應用

上海向日亞電子有限公司邱海樑9/21/20231主要課題電容器的基礎知識電容器在EMC中的應用

EMC基礎知識抑制電磁干擾電容器國際標準介紹三種高壓試驗介紹浪涌保護方法阻燃標準向日亞安規(guī)電容器的認證介紹

9/21/20232電容器定義：定義：由極板和介質構成，能儲存電荷的元件。

圖1：薄膜電容器的基本結構9/21/20233電容器單位單位：法拉F1F=106μF（微法）＝1012pF（皮法）1μF=103nF（納法）1nF=103pF（皮法）3位數(shù)字表達：前2位有效讀數(shù);后1位是10的幾次方，單位皮法。例：473＝47X103pF＝47nF＝0.047μF9/21/20234電容器儲存電荷原理電容器充電原理：自然界有正負兩種電荷，電子帶的是負電荷，質子帶的是正電荷，兩電荷間同性相斥異性相吸。在電容器未接通電源前，兩電極間都存在正負電荷自由流動，當電容器兩端接通電源后，電源上的正極由于存在大量正電荷就把相連極板上的負電荷全部吸過來，并通過電源流到電容器另一端極板上，而電源負極則把相連端的正電荷吸過來流到電源正極相連的極板上。直至電容器一個極板儲存滿正電荷，而另一個極板上儲存滿負電荷，這就是電容器的充電工作原理。9/21/20235二、薄膜電容器分類：按引線引出的方式分：有感、無感。有感（CL11）：結構簡單，成本低；容量小，耐壓低。無感（CL21、CBB22等）：結構復雜，成本較高；容量大，高頻性能好，帶金屬化結構時，耐過壓。按結構分：金屬化、箔式、金屬化箔式內串9/21/20236各結構電容器的特點金屬化（CL21、CBB22等）：體積小、自愈能力好、耐過電壓能力強；金屬接觸部分損耗大、耐高頻大電流能力差（一般使用）。箔式（CBB18等）：體積大、耐過電壓能力差、無自愈能力、金屬接觸部分損耗極小、耐高頻大電流好（高dv/dt能力場合）。金屬化箔式內串（CBB81，PPS等）：有以上所有優(yōu)點，耐電壓能力強；但體積最大，生產成本高。（特殊高壓大電流場合）。9/21/20237按介質材料分類：按材料分：聚酯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯等。各自特性：聚酯（CL、MKT）：正溫度系數(shù)、介質損耗大（溫升略高）、耐過電壓能力不如聚丙烯、絕緣電阻小、體積小、正常的材料耐溫可達130℃左右。生產周期略長。聚丙烯(CBB、MKP)：負溫度系數(shù)、介質損耗?。厣停?、耐過電壓能力強、絕緣電阻高、體積大、國內材料最高耐溫105℃左右，最先進的聚丙烯膜技術可使耐溫最高達120℃。9/21/20238按用途分類按用途分：直流(CL21、CBB22)、交流(CL61、CBB62)、高壓內串箔式（CBB81）、箔式(CBB18)等。9/21/20239按認證產品分：

按認證產品分：普通電容器：使用于安全要求不嚴格的場合，如所有的直流電容器等。安規(guī)電容器：可利用電容器“隔直通交”的特性，跨接在電源兩端，過濾掉交流信號，使直流信號傳遞到使用線路中，由于這種電容是直接接在電源兩端，所以一旦起火將引起災難性的后果。此類電容器執(zhí)行的性能標準為UL1283、UL1414、EN60384-14、VDE0565、GB/T14472-1998。9/21/202310三、容器性能指標：（所有指標以環(huán)境溫度20℃為準）容量：J(±5%),K(±10%),M(±20%)。以測試頻率1KHZ、20℃環(huán)境溫度、1VDC測量電平為準。容量越小，測試電平影響越大，環(huán)境溫度對聚酯電容器的容量影響較大（約相差1％/℃），測試頻率的改變對聚酯電容的容量影響極大（1KHZ測量比10KHZ測量容量大約1％）；聚丙烯電容器受溫度及頻率影響較小。損耗DF：有功功率和無功功率之比，即工作時因發(fā)熱消耗的能量。受測試頻率影響極大（頻率越高，損耗越大），1KHZ測量以介質損耗為主，10KHZ測量包含介質損耗和金屬部分損耗，頻率越高影響因素越多，所以10KHZ測量加dv/dt測試最能反映電容器真正的好壞。相同容量的電容器端面越大，引線和噴金層接觸面積越大，損耗越小。容量越大，介質損耗越大。9/21/202311絕緣電阻：即直流電壓加于電容器上并產生漏導電流之比?？煞譃轶w積漏導電阻和表面漏導電阻兩部分。表面漏導電阻和芯子受潮有關；體積漏導電阻和電容器介質厚度有關：R=P*d/s（P介質電阻率；d介質厚度；s極板面積），容量和s成反比，所以容量越大，絕緣電阻越小，而介質厚度和絕緣電阻成正比，所以小型化設計的電容器絕緣電阻無法達到正常設計電容器的標準。耐電壓（介電強度）：電容器抗擊穿能力，分電擊穿、熱擊穿、老化擊穿。

1電擊穿是電場作用下瞬時發(fā)生的擊穿，與電容器微觀結構、介質厚度、電極面積有關。因介質內部存在氣隙、極板邊緣電場畸變、潮氣進入芯子等引起。

2熱擊穿是由于介質中某些弱點熱平衡狀態(tài)受到破壞，使電容器內部溫度不斷升高，當超過介質最高極限溫度時引起的擊穿，一般由損耗引起。

3電容器內部發(fā)生電離，不一定立即失效，但長期工作積累下，隨電離發(fā)展就產生了老化擊穿。9/21/202312特殊電容器的特性指標dv/dt能力：每微秒電壓上升速度，dv/dt指標越高，電流越大、工作頻率越高，IEC規(guī)定以dv/dt試驗1萬次后容量損耗的變化值來確定電容器的好壞。抗脈沖電壓能力：安規(guī)電容器（X1、X2、Y2）區(qū)別與普通交流電容器（CL61、CBB62）之處，即高電壓和很大的能量瞬時施加在被測電容器上，被測電容器不會損壞。9/21/202313電容器失效機理：電應力影響：1電流過載：開關或有關電路元件故障或雷擊或脈沖振幅過大產生瞬時大電流引起。2電壓過載：設備轉換過程和突然切斷負荷而引起的電壓突變。3頻率過高：在高頻或超高頻狀態(tài)下工作而未采用合適的電容器會產生的熱擊穿。4功耗過大：當產品工作狀態(tài)下漏電流過大或線路上串聯(lián)電阻阻值較大時，因過耗過大產生熱量卻無理想的散熱的條件從而燒毀。（如降壓線路中，串聯(lián)電阻阻值過大會因功率過大產生很大的熱量從而燒毀電阻，而串聯(lián)電阻過小，則可能在啟動時對電容器產生很大的dv/dt沖擊而使電容器燒毀）故在散熱條件很差，或功率過大的場合，不適宜使用小型化電容器。9/21/202314環(huán)境應力影響1濕度影響：受潮后會產生水膜，引起容量漂移，介電強度、絕緣電阻降低，損耗增大導致早期失效。2溫度影響：高溫下有機介質產生塑性流動，導致電容器變形失效。3振動和沖擊：電容器受振動時會產生內部壓力、造成金屬部分接觸不良、間隙開路甚至斷裂而造成失效。9/21/202315電容器在EMC中的應用：電磁干擾EMI（electromagneticinterference）的定義：指影響系統(tǒng)性能之非正常的電壓和電流，通過電磁能量借傳導輻射的方法而介入元件、線路或系統(tǒng)中。與之對應的是電磁兼容EMC（electromagneticcompatibility）：在特定環(huán)境中，元件、線路和系統(tǒng)能正常工作的條件和能力。濾波器的作用就是盡可能消除電磁干擾，而達到電磁兼容9/21/202316干擾的方式和特性：

按傳播方式分主要有傳導和輻射兩種，傳導產生的干擾主要由不當?shù)鸟詈吓c能量的經常變動產生，此雜波產生物一般為電弧產生者，即突然改變電流或電壓方向和大小者，如脈沖發(fā)生器、雷電、諧振等。任何電源線上傳導干擾信號，均可用差模和共模信號來表示。差模干擾在兩導線之間傳輸，屬于對稱性干擾；共模干擾在導線與地（機殼）之間傳輸，屬于非對稱性干擾。在一般情況下，差模干擾幅度小、頻率低、所造成的干擾較??；共模干擾幅度大、頻率高，還可以通過導線產生輻射，所造成的干擾較大。輻射干擾：輻射干擾產生物很多，電視臺、電臺、吹風機、微波爐等因感受物和雜波產生體因距離近發(fā)生的干擾可稱為輻射干擾。一般可這么判別，借金屬物體傳送的為傳導干擾。借非金屬物體傳送的為輻射干擾。傳導式干擾產生于系統(tǒng)內，而輻射干擾系統(tǒng)內外都會產生

.9/21/202317電容器抑制電磁干擾的基本方法。

簡單的濾波器僅有一個電容組成，在高頻時電容器就似一個低阻抗地線，任何高頻信號都會被短路至地下，在低頻時電容器具有高阻抗，同時信號不受影響，因此電容器就是一種低通濾波器。9/21/202318選擇合適的電容器抑制共模和差模干擾為了抑制差模干擾，電容器可以連接在相線與相線或相線與零線間，此時一般采用X類電容器。為抑制共模干擾，可將電容器連接在各導線和地線間，此時應采用Y類電容。帶有Y電容器的電氣、電子設備當其接地端懸空時（如電視機），人體接觸到外殼或電路的公共參考端（電路接地電位）時，交流電源就會通過Y電容器、人體、大地形成圖示回路，人體流過“漏電流”，當漏電流很小時，使人有麻電的感覺，這是否安全呢？電氣安全規(guī)定在一般情況下流過人體的“漏電流”必須小于0.5mA才能保證人身安全。這就是CY電容器的電容量的選擇依據(jù)，換而言之，CY電容器的電容量越大抑制電磁干擾效果越好，但是所可能產生的“漏電流”必須在人身安全電流以下。醫(yī)療電子設備特別是參與介入治療的電子設備的“漏電流”必須小于10μA。因此，這樣的醫(yī)療設備必須良好接地，而不能指望減小CY的電容量來得到低的漏電流。這也同樣說明為什么要求CY電容器那么嚴酷的原因了。所以CY電容器是不能用其他電容器替代的。如果既要抑制共模干擾又要抑制差模干擾，則可采用三角形連接的電容組合。9/21/202319典型的濾波器線路如果要消除共模和差模以及其他各種頻段下的干擾，則應采用更復雜的濾波器線路，通常此線路由電容及電感組成。下圖為一個簡單的濾波器線路，電容Cx是用來分流任何高頻的差模電流，使他們無法進入接受端，電容Cy是用來分流通往大地的共模電流，電感L1和L2則抑制任何共模電流CxCyL1L29/21/202320抑制雜波干擾的方式常用有三種：濾波、屏蔽與隔離（隔離也可視為屏蔽的方式之一）。濾波通常通過線路來解決，可抑制住傳導干擾。輻射干擾一般通過屏蔽和隔離來解決。因金屬物和磁性材料可反射和吸收電磁波，故一般采用金屬物或磁性材料來屏蔽，低頻時，磁場反射損失較小，通常以磁性材料為屏蔽物。高頻磁場的屏蔽則應選用金屬物。理想的屏蔽對需要屏蔽的頻率來講是不應有任何洞或間隙，為了散熱和安裝打孔尺寸應按波導設計方式計算。截止波導通風窗設計時一般主要以下幾點:(1)截止波導通風窗的截止頻率和衰減參數(shù)必須大于電磁屏蔽室的屏蔽性能。(2)截止波導通風窗的格柵宜采用六角型，以提高通風量。(3)用于穿過屏蔽層的非金屬材料(如光纖、氣體或液體)，所需的波導管的截面尺寸和長度均應按電磁屏蔽性能要求設計。所用材料可為冷拉圓鋼(表面鍍鋅)或黃銅等。理想的全頻段屏蔽為了冷卻和安裝，采用冷媒、冷卻和復合屏蔽的技術（如潛艇、坦克飛機、火箭、衛(wèi)星等的制造工藝）。9/21/202321隔離也是抑制EMI的另一種方法，一般來說高壓線路和設備必須與低壓的類比或數(shù)位線路隔離，像馬達、高壓電源、電焊機等均屬高壓設備，應盡可能和計算機或控制系統(tǒng)隔離。瞬態(tài)突波對電子系統(tǒng)的傷害和人身安全的威脅是非常大的，產生瞬態(tài)的原因是電網上的突波、雷擊等。普通的電容器是無法保證承受和吸收突波的。因UL1414和IEC60384-14的標準中規(guī)定了電容器必須通過和吸收瞬態(tài)突波方可算符合安規(guī)標準的電容器，才能打印安全認證標記。所以濾波器應選用有突波吸收性能的安規(guī)電容。9/21/202322抑制電磁干擾電容器標準：三種不同的標準的介紹：抑制電磁干擾電容器的國際標準為IEC60384-14,我們國內的GB/T14472-981和歐洲的EN60384-14以及世界上其他國家的標準都和國際標準完全相同。需注意的是美國的標準為UL1414,此標準和國際其他標準有不同之處。最主要的不同之處如下表：9/21/202323UL1414和IEC標準的不同之處標準最低脈沖電壓

(≤105)最低脈沖電壓

﹥105最高試驗溫度

標稱電壓UL14144KV4KV90℃250VACIEC2.5KV4KV/√C自選自選

9/21/202324由于UL1414標準過嚴，許多電容無法達到此標準，故許多供往美國的安規(guī)電容采用了UL1283標準，但UL1283標準的英文名為EMIfilters即濾波器，所以并不是嚴格意義上的電容器標準，UL1283標準和IEC標準一樣可以自選任何溫度和標稱電壓，但沒有了脈沖要求，只是對電容器的耐壓提出了較高的標準，從嚴酷度來說，比IEC標準低一些，比UL1414更低。9/21/202325安規(guī)電容器和普通交流電容器的不同之處

型號

耐電壓

脈沖電壓

耐久性

充放電

普通電容

2√2×Ur無要求

1.25Ur無要求

安規(guī)電容

4.3Ur最低2.5KV

1.25Ur＋1KVAC0.1s/H最低100V/μs

9/21/202326安規(guī)電容的種類：

分X和Y兩大類X類:根據(jù)不同的脈沖要求分X1、X2、X3,X1脈沖電壓4KV，X2脈沖要求2.5KV,X3無脈沖要求。需注意的是UL1414要求最低4KV脈沖，所以能符合UL1414標準的必須是X1 等級的電容。X類電容是只能跨接在電源兩端，抑制差模干擾，不能用在接地抑制共模干擾的。Y類電容：根據(jù)不同的脈沖分Y1、Y2、Y3，Y1的脈沖要求是8KV，Y2的脈沖要求是5KV，Y3無脈沖要求。目前國內的薄膜電容只能做到Y2。Y2電容的脈沖要求要高于X類電容。Y2電容可以使用在接地抑制共模干擾上，當然也可以用在電源兩端抑制差模干擾。Y1電容由于脈沖要求太高，單個金屬化薄膜類的電容器很難達到，但有的濾波器廠家是用兩個Y2的金屬化薄膜電容串聯(lián)后使用來達到Y1的抗脈沖效果。也有用陶瓷電容來做Y2電容的，但陶瓷電容和薄膜電容相比有溫度系數(shù)大和穩(wěn)定性差的缺點。9/21/202327濾波器和抗干擾電容器的三種常用的高壓試驗波形：電容器脈沖試驗波形（適用于電氣電路）1.2μS47μSVpp50%Vpp9/21/202328浪涌試驗波形（適用于電源電路輸入端）9/21/202329振鈴波試驗波形（適用于供電回路）T1上升時間（開路電壓0.5μS,短路電流1μS）T=振蕩周期（10μS）10%90%100%60%濾波器振鈴波試驗波形圖9/21/202330振鈴試驗等級等級共模電壓（KV）差模電壓(KV）10.50.25210.532144259/21/202331三種試驗的不同之處試驗方法試驗次數(shù)間隔時間試驗電壓合格標準脈沖試驗3~24次10S峰值能顯示3次完整的波形，外觀不裂，電性能參數(shù)變化小于規(guī)定的標準。浪涌試驗直流正負各5次，交流每9度5次1M峰值+反向30%外觀不破裂，正常工作振鈴試驗正負極性各5次1S峰值+反向60%不應出現(xiàn)危險或不安全的后果驗收試驗時試驗程序和試驗結果的說明必須在專門的產品標準中加以描述技術規(guī)范可以定義對產生的影響這些影響可認為是不重要的因而是可接受的9/21/202332總結：三種試驗中，最嚴酷的是振鈴試驗，但振鈴試驗判別是否合格的標準最寬松，有四種判別方式，最低限度只要不造成安全隱患即可接受。脈沖試驗最寬松，但脈沖試驗判別是否合格的標準最嚴，對被測電容所有參數(shù)變化有嚴格要求。浪涌試驗介于兩者之間。在選擇電容器時，應注意三種試驗的峰值電壓是不同的，浪涌和振鈴都有下沖電壓。而脈沖試驗沒有下沖電壓。9/21/202333如何避免濾波器浪涌試驗失敗選用高脈沖等級的電容器。端口加壓敏電阻，在超高壓時電阻阻值會大幅降低，將浪涌能量泄放掉

1）優(yōu)點：峰值電流承受能力較大，價格低。

2）缺點：鉗位電壓較高（取決于最大浪涌電流），一般可以達到工作電壓的2～3倍，因此電路必須能承受這么高的浪涌電壓。另外，壓敏電阻隨著受到浪涌沖擊次數(shù)的增加，漏電流增加。如果在交流電源線上應用會導致漏電流超過安全規(guī)定的現(xiàn)象，嚴重時，壓敏電阻會因過熱而爆炸。壓敏電阻的其他缺點還有：響應時間較長，寄生電容較大。

3）適用場合：直流電源線、低頻信號線，或者與氣體放電管串聯(lián)起來用在交流電源線上9/21/202334加瞬態(tài)二極管，當二極管上的電壓超過一定幅度時，器件迅速導通，從而將浪涌能量泄放掉。（1）優(yōu)點：響應時間短，鉗位電壓低（相對于工作電壓）。（2）缺點：由于所有功率都耗散在二極管的PN結上，因此它所承受的功率值較小，允許流過的電流較小。一般的二極管器件的寄生電容較大，如在高速數(shù)據(jù)線上使用，要用特制的低電容器件，但是低電容器件的額定功率往往較小。（3）適用場合：浪涌能量較小的場合。如果浪涌能量較大，要與其他大功率浪涌抑制器件一同使用，瞬態(tài)二極管作為后級防護。9/21/202335加氣體放電管，當氣體放電管上的電壓超過一定幅度時，器件變?yōu)槎搪窢顟B(tài)，阻抗幾乎為零。這種導通原理與控制電感性負載的開關觸點被擊穿的原理相同，只是這里兩個觸點之間的距離和氣體環(huán)境是控制好的，可使擊穿電壓為一個確定值。氣體放電管一旦導通后，它上面的電壓會很低。（1）憂點：承受電流大，寄生電容小。（2）缺點：響應時間長。另外，由于維持它導通所需要的電壓很低，因此當浪涌電壓過后，只要加在氣體放電管上的電壓高于維持電壓，它就會保持導通。在交流場合應用時，只有當交流電過零點時，它才會斷開，因此會有一定的跟隨電流。由于跟隨電流的時間較長，會導致放電管觸點迅速燒毀，從而縮短放電管的壽命。（3）適用場合：信號線或工作電壓低于導通維持電壓的直流電源線上（一般低于10V）；與壓敏電阻組合起來用在交流電源線上。9/21/202336三種浪涌抑制保護器的工作波形9/21/202337氣體放電管和壓敏電阻都不適合單獨在交流電源線上使用。氣體放電管的問題是跟隨電流效應。壓敏電阻的問題是隨著受浪涌作用的次數(shù)增加交流漏電流增加。比較實用的方案是將氣體放電管與壓敏電阻以及電容串聯(lián)起來使用。如圖所示。如果在壓敏電阻上并聯(lián)一個電容，浪涌電壓到來時，可以更快地將電壓加到氣體放電管上，縮短導通時間。這種氣體放電管與壓敏電阻的組合除了可以避免上述缺點以外，還有一個好處就是可以降低限幅電壓值。在這里可以使用導通電壓較低（低于工作電壓）的壓敏電阻，從而可以降低限幅電壓值。圖8的連接方式對浪涌電壓的抑制作用如圖9所示。9/21/202338氣體放電管與壓敏電阻組合起來的效果

9/21/202339需要注意的是，浪涌抑制器件的壽命不是永久的，總會失效。因此，在結構設計上，應該便于更換浪涌抑制器件。并且，當浪涌抑制器件失效時，應該有明顯的顯示，提醒維護人員進行更換。浪涌抑制器件的失效模式一般為短路，這可以稱為安全模式。因為當浪涌抑制器短路時，線路會出現(xiàn)故障，從而提醒維修人員更換浪涌抑制器。但是，也有開路失效模式的可能性，這時往往會給設備帶來危險，因為設備會直接處于沒有保護的狀態(tài)下。9/21/202340塑料件阻燃標準：全世界使用最廣泛的標準，是UL94標準，主要內容如下：

UL94可然性試驗包括下述四個測試方法：材料分類為UL94HB的水平燃燒測定方法材料分類為UL94V-0ULV-1ULV-2的垂直燃燒測試方法材料分類為UL－5V的垂直燃燒測試方法材料分類為94VTM-0、94VTM-1、94VTM-2的垂直燃燒測試方法（超薄材料的防火標準）9/21/202341材料分類為UL94HB的水平燃燒試驗測試裝置:測試爐,燃燒器,金屬絲網.濕度溫度控制室內進行試樣大小:130×13(mm)光滑邊緣從末端沿其長度,分別在25mm和100mm處標上刻度線,點燃燃燒器,灼燒30s(不改變燃燒器位置,把試樣移開)測試0-25mm的燃燒速度.若不到30s就燃燒到25mm處,則撤去火焰,測試火焰前沿到25mm的速度.每個試驗應測5個試樣,取最大燃燒速度或燃燒長度為材料評定標準.對于厚度為3-13mm的試樣,如燃燒速度不大于38mm/min或對于厚度小于3mm,燃燒速度不大于76mm/min或試樣燃燒100mm前熄滅,該塑料可劃歸為94HB級.9/21/202342材料分類為UL94V-0ULV-1ULV-2的垂直燃燒試驗

根據(jù)樣品燃燒時間,是否引燃脫脂棉等結果,從高到低分為UL94V-0ULV-1ULV-2.對樣條(130×13mm)點火10mm,移走火源,記錄有焰燃燒時間,若在30