插入损耗和滤波电容性能介绍

通过安东尼肯尼。电容器用于模拟和数字电路以去除不需要的信号。电容器或滤波电路的滤波性能通常用插入损耗来描述。影响滤波电路插入损耗性能的一些因素包括滤波元件的配置、阻抗和​​负载电流。

过滤电路中的 EMI
电力干扰，无论是自然的还是人为的，都会显着影响电子电路的性能。这些不需要的信号统称为电磁干扰 (EMI)。大多数模拟和数字电路都使用滤波电路来消除这些不需要的信号。这些信号的一些最常见来源包括照明、风暴、降水、电力线、电机、点火系统、雷达发射器、功率放大器、计算机时钟和宇宙源。

滤波电路中元件的配置在很大程度上决定了它的滤波性能。最简单的滤波配置，通常称为 C 滤波器，由单个馈通电容器组成。通过使用电容和电感元件的组合来提高滤波电路的性能。一些最常见的配置包括 L-C、T 和 Pi 结构。增加电容和电感元件的数量有助于提高滤波电路的性能。

特色图片：不同滤波器拓扑的插入损耗图；来源： S.Nelson，中等

电容器和电路的插入损耗特性
选择用于EMI滤波的电容器时要考虑的关键因素之一是其插入损耗特性。该参数通常定义为添加滤波器前后的电压比。在基本电路中，该值是通过将插入滤波元件前后获得的电压值相除而获得的。该参数在很大程度上决定了滤波电路的衰减水平。电路或元件的插入损耗性能通常以分贝表示。

普通电容器不具备良好的插入损耗性能特性。固有电感的存在降低了它们将不需要的电气干扰接地的能力。该残余电感随着电极长度的增加而增加。此外，电极越窄，电感量越高。为了减少这种不需要的电感并提高电容器的滤波性能，有必要修改这些无源元件的架构。改变电容器的架构并添加第三个端子有助于最大限度地减少残余电感。穿心电容器是一种广泛用于滤波应用的特殊电容元件，它基于这种改进的架构。

在具有两个端子的电容器中，残余电感较高，因为组件的引线充当电感器。引入第三个端子有助于减少与电容元件串联的电感元件。这显着改善了电容器的插入损耗特性。通过减小该残留电感，可以提高滤波电容器的自谐振频率。

穿心电容器专门设计用于提供卓越的插入损耗性能。这些电容器广泛用于 EMI 抑制和旁路应用。当今滤波电路中最常见的陶瓷馈通电容器设计是盘状和管状电容器。塑料薄膜穿心电容器常用于要求高可靠性的应用。

插入损耗随频率变化
理想和实际电容器的插入损耗特性略有不同。理想电容器的插入损耗随着频率的增加而增加。相比之下，实际元件的插入损耗会随着频率增加到一定程度。这个水平被称为自谐振频率。在这个水平之后，实际元件的插入损耗随着频率的增加而减小。

在高于谐振频率的频率下，如果残余电感保持恒定，滤波器的插入损耗性能不会改变。在这些条件下增加或减少元件的电容不会影响插入损耗。这意味着需要具有高自谐振频率的电容器来抑制高频噪声。此类应用应选用残余电感较小的元件。

决定插入损耗性能的因素
电路或元件的插入损耗性能是由很多因素决定的；其中一些主要因素是电气配置、负载电流、源阻抗、负载阻抗、接地阻抗、元件的介电材料特性和屏蔽完整性。

组件配置
虽然单个元件可用于去除不需要的信号，但大多数滤波电路使用电容和电感元件的组合。配置的选择主要取决于所需的插入损耗性能。最常见的配置包括 C、C-L、L-C、Pi 和 T。见下图：

从理论上讲，单元件滤波器每十倍频程产生 20dB 的插入损耗，而二元件滤波器每十倍频程产生 40dB。具有三个或更多元件的滤波电路可以产生更好的插入损耗性能。具有多个电容和电感元件的滤波电路用于需要高度滤波性能的电路中。实际插入损耗性能由所用元件的实际特性决定。该信息通常在数据表中提供。在为您的滤波电路选择配置时，重要的是要考虑您的源阻抗和负载阻抗。

负载电流
负载电流对插入损耗的影响很大程度上取决于所使用的滤波元件的特性。对于带有电感元件的滤波电路，如果使用铁氧体电感，插入损耗会下降。这种影响的程度取决于铁氧体材料的具体特性。

电路阻抗
滤波电路的插入损耗性能很大程度上取决于源阻抗和负载阻抗。这种性能通常通过选择合适的电容和电感元件配置来优化。

结论
电容器用于模拟和数字电路以去除不需要的信号。电容器或滤波电路的滤波性能通常用插入损耗来描述。影响滤波电路插入损耗性能的主要因素包括滤波元件的配置、阻抗和​​负载电流。

传统电容器不能产生良好的插入损耗性能，当需要更好的性能时使用三端子组件。为了获得最佳的插入损耗性能，使用了由多个电容和电感元件组成的滤波电路。