薄膜电容器在EMC领域中的应用.ppt

7/15/2019,1,薄膜电容器在emc领域中的应用,上海向日亚电子有限公司 邱海樑,7/15/2019,2,主要课题,电容器的基础知识 电容器在emc中的应用 emc基础知识 抑制电磁干扰电容器国际标准介绍 三种高压试验介绍 浪涌保护方法 阻燃标准 向日亚安规电容器的认证介绍,7/15/2019,3,电容器定义：,定义：由极板和介质构成，能储存电荷的元件。 图1：薄膜电容器的基本结构,7/15/2019,4,电容器单位,单位：法拉f 1f=106f（微法）1012pf（皮法） 1f =103nf（纳法） 1nf =103pf（皮法） 3位数字表达：前2位有效读数;后1位是10的几次方，单位皮法。 例：47347x103pf47nf0.047f,7/15/2019,5,电容器储存电荷原理,电容器充电原理：自然界有正负两种电荷，电子带的是负电荷，质子带的是正电荷，两电荷间同性相斥异性相吸。 在电容器未接通电源前，两电极间都存在正负电荷自由流动，当电容器两端接通电源后，电源上的正极由于存在大量正电荷就把相连极板上的负电荷全部吸过来，并通过电源流到电容器另一端极板上，而电源负极则把相连端的正电荷吸过来流到电源正极相连的极板上。直至电容器一个极板储存满正电荷，而另一个极板上储存满负电荷，这就是电容器的充电工作原理。,7/15/2019,6,二、薄膜电容器分类：,按引线引出的方式分：有感、无感。 有感（cl11）：结构简单，成本低；容量小，耐压低。 无感（cl21、cbb22等）：结构复杂，成本较高；容量大，高频性能好，带金属化结构时，耐过压。 按结构分：金属化、箔式、金属化箔式内串,7/15/2019,7,各结构电容器的特点,金属化（cl21、cbb22等）：体积小、自愈能力好、耐过电压能力强；金属接触部分损耗大、耐高频大电流能力差（一般使用）。 箔式（cbb18等）：体积大、耐过电压能力差、无自愈能力、金属接触部分损耗极小、耐高频大电流好（高dv/dt能力场合）。 金属化箔式内串（cbb81，pps等）：有以上所有优点，耐电压能力强；但体积最大，生产成本高。（特殊高压大电流场合）。,7/15/2019,8,按介质材料分类：,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）：正温度系数、介质损耗大（温升略高）、耐过电压能力不如聚丙烯、绝缘电阻小、体积小、正常的材料耐温可达130左右。生产周期略长。 聚丙烯(cbb、mkp)：负温度系数、介质损耗小（温升低）、耐过电压能力强、绝缘电阻高、体积大、国内材料最高耐温105左右，最先进的聚丙烯膜技术可使耐温最高达120。,7/15/2019,9,按用途分类,按用途分：直流(cl21、cbb22)、交流(cl61、cbb62)、高压内串箔式（cbb81）、箔式(cbb18)等。,7/15/2019,10,按认证产品分：,按认证产品分： 普通电容器：使用于安全要求不严格的场合，如所有的直流电容器等。 安规电容器：可利用电容器“隔直通交”的特性，跨接在电源两端，过滤掉交流信号，使直流信号传递到使用线路中，由于这种电容是直接接在电源两端，所以一旦起火将引起灾难性的后果。 此类电容器执行的性能标准为ul1283、ul1414、en60384-14、vde0565 、gb/t14472-1998。,7/15/2019,11,三、容器性能指标：（所有指标以环境温度20为准）,容量：j(5%),k(10%),m(20%) 。以测试频率1khz、20环境温度、1vdc测量电平为准。容量越小，测试电平影响越大，环境温度对聚酯电容器的容量影响较大（约相差1/），测试频率的改变对聚酯电容的容量影响极大（1khz测量比10khz测量容量大约1）；聚丙烯电容器受温度及频率影响较小。 损耗df：有功功率和无功功率之比，即工作时因发热消耗的能量。受测试频率影响极大（频率越高，损耗越大），1khz测量以介质损耗为主，10khz测量包含介质损耗和金属部分损耗，频率越高影响因素越多，所以10khz 测量加dv/dt测试最能反映电容器真正的好坏。相同容量的电容器端面越大，引线和喷金层接触面积越大，损耗越小。容量越大，介质损耗越大。,7/15/2019,12,绝缘电阻：即直流电压加于电容器上并产生漏导电流之比。可分为体积漏导电阻和表面漏导电阻两部分。表面漏导电阻和芯子受潮有关；体积漏导电阻和电容器介质厚度有关：r=p*d/s（p 介质电阻率；d 介质厚度；s 极板面积），容量和s成反比，所以容量越大，绝缘电阻越小，而介质厚度和绝缘电阻成正比，所以小型化设计的电容器绝缘电阻无法达到正常设计电容器的标准。 耐电压（介电强度）：电容器抗击穿能力，分电击穿、热击穿、老化击穿。 1电击穿是电场作用下瞬时发生的击穿，与电容器微观结构、介质厚度、电极面积有关。因介质内部存在气隙、极板边缘电场畸变、潮气进入芯子等引起。 2 热击穿是由于介质中某些弱点热平衡状态受到破坏，使电容器内部温度不断升高，当超过介质最高极限温度时引起的击穿，一般由损耗引起。 3 电容器内部发生电离，不一定立即失效，但长期工作积累下，随电离发展就产生了老化击穿。,7/15/2019,13,特殊电容器的特性指标,dv/dt能力：每微秒电压上升速度，dv/dt指标越高，电流越大、工作频率越高，iec规定以dv/dt试验1万次后容量损耗的变化值来确定电容器的好坏。 抗脉冲电压能力：安规电容器（x1、x2、y2）区别与普通交流电容器（cl61、cbb62）之处，即高电压和很大的能量瞬时施加在被测电容器上，被测电容器不会损坏。,7/15/2019,14,电容器失效机理：,电应力影响： 1 电流过载：开关或有关电路元件故障或雷击或脉冲振幅过大产生瞬时大电流引起。 2 电压过载：设备转换过程和突然切断负荷而引起的电压突变。 3 频率过高：在高频或超高频状态下工作而未采用合适的电容器会产生的热击穿。 4 功耗过大：当产品工作状态下漏电流过大或线路上串联电阻阻值较大时，因过耗过大产生热量却无理想的散热的条件从而烧毁。（如降压线路中，串联电阻阻值过大会因功率过大产生很大的热量从而烧毁电阻，而串联电阻过小，则可能在启动时对电容器产生很大的dv/dt冲击而使电容器烧毁）故在散热条件很差，或功率过大的场合，不适宜使用小型化电容器。,7/15/2019,15,环境应力影响 1 湿度影响：受潮后会产生水膜，引起容量漂移，介电强度、绝缘电阻降低，损耗增大导致早期失效。 2 温度影响：高温下有机介质产生塑性流动，导致电容器变形失效。 3 振动和冲击：电容器受振动时会产生内部压力、造成金属部分接触不良、间隙开路甚至断裂而造成失效。,7/15/2019,16,电容器在emc中的应用：,电磁干扰emi（electro magnetic interference）的定义：指影响系统性能之非正常的电压和电流，通过电磁能量借传导辐射的方法而介入元件、线路或系统中。 与之对应的是电磁兼容emc（electro magnetic compatibility）：在特定环境中，元件、线路和系统能正常工作的条件和能力。 滤波器的作用就是尽可能消除电磁干扰，而达到电磁兼容,7/15/2019,17,干扰的方式和特性：,按传播方式分主要有传导和辐射两种， 传导产生的干扰主要由不当的耦合与能量的经常变动产生，此杂波产生物一般为电弧产生者，即突然改变电流或电压方向和大小者，如脉冲发生器、雷电、谐振等。 任何电源线上传导干扰信号，均可用差模和共模信号来表示。差模干扰在两导线之间传输，属于对称性干扰；共模干扰在导线与地（机壳）之间传输，属于非对称性干扰。在一般情况下，差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小；共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。 辐射干扰：辐射干扰产生物很多，电视台、电台、吹风机、微波炉等因感受物和杂波产生体因距离近发生的干扰可称为辐射干扰。 一般可这么判别，借金属物体传送的为传导干扰。借非金属物体传送的为辐射干扰。传导式干扰产生于系统内，而辐射干扰系统内外都会产生 .,7/15/2019,18,电容器抑制电磁干扰的基本方法。,简单的滤波器仅有一个电容组成，在高频时电容器就似一个低阻抗地线，任何高频信号都会被短路至地下，在低频时电容器具有高阻抗，同时信号不受影响，因此电容器就是一种低通滤波器。,7/15/2019,19,选择合适的电容器抑制共模和差模干扰,为了抑制差模干扰，电容器可以连接在相线与相线或相线与零线间，此时一般采用x类电容器。 为抑制共模干扰，可将电容器连接在各导线和地线间，此时应采用y类电容。 带有y电容器的电气、电子设备当其接地端悬空时（如电视机），人体接触到外壳或电路的公共参考端（电路接地电位）时，交流电源就会通过y电容器、人体、大地形成图示回路，人体流过“漏电流”，当漏电流很小时，使人有麻电的感觉，这是否安全呢？电气安全规定在一般情况下流过人体的“漏电流”必须小于0.5ma才能保证人身安全。这就是cy电容器的电容量的选择依据，换而言之，cy电容器的电容量越大抑制电磁干扰效果越好，但是所可能产生的“漏电流”必须在人身安全电流以下。医疗电子设备特别是参与介入治疗的电子设备的“漏电流”必须小于10a。因此，这样的医疗设备必须良好接地，而不能指望减小cy的电容量来得到低的漏电流。这也同样说明为什么要求cy电容器那么严酷的原因了。所以cy电容器是不能用其他电容器替代的。 如果既要抑制共模干扰又要抑制差模干扰，则可采用三角形连接的电容组合。,7/15/2019,20,典型的滤波器线路,如果要消除共模和差模以及其他各种频段下的干扰，则应采用更复杂的滤波器线路，通常此线路由电容及电感组成。 下图为一个简单的滤波器线路，电容cx是用来分流任何高频的差模电流，使他们无法进入接受端，电容cy是用来分流通往大地的共模电流，电感l1和l2则抑制任何共模电流,cx,cy,l1,l2,7/15/2019,21,抑制杂波干扰的方式常用有三种：滤波、屏蔽与隔离（隔离也可视为屏蔽的方式之一）。 滤波通常通过线路来解决，可抑制住传导干扰。 辐射干扰一般通过屏蔽和隔离来解决。因金属物和磁性材料可反射和吸收电磁波，故一般采用金属物或磁性材料来屏蔽，低频时，磁场反射损失较小，通常以磁性材料为屏蔽物。高频磁场的屏蔽则应选用金属物。理想的屏蔽对需要屏蔽的频率来讲是不应有任何洞或间隙，为了散热和安装打孔尺寸应按波导设计方式计算。 截止波导通风窗设计时一般主要以下几点: (1)截止波导通风窗的截止频率和衰减参数必须大于电磁屏蔽室的屏蔽性能。 (2)截止波导通风窗的格栅宜采用六角型，以提高通风量。 (3)用于穿过屏蔽层的非金属材料(如光纤、气体或液体)，所需的波导管的截面尺寸和长度均应按电磁屏蔽性能要求设计。所用材料可为冷拉圆钢(表面镀锌)或黄铜等。 理想的全频段屏蔽为了冷却和安装，采用冷媒、冷却和复合屏蔽的技术（如潜艇、坦克飞机、火箭、卫星等的制造工艺）。,7/15/2019,22,隔离也是抑制emi的另一种方法，一般来说高压线路和设备必须与低压的类比或数位线路隔离，像马达、高压电源、电焊机等均属高压设备，应尽可能和计算机或控制系统隔离。 瞬态突波对电子系统的伤害和人身安全的威胁是非常大的，产生瞬态的原因是电网上的突波、雷击等。 普通的电容器是无法保证承受和吸收突波的。因ul1414和iec60384-14 的标准中规定了电容器必须通过和吸收瞬态突波方可算符合安规标准的电容器，才能打印安全认证标记 。 所以滤波器应选用有突波吸收性能的安规电容。,7/15/2019,23,抑制电磁干扰电容器标准：,三种不同的标准的介绍： 抑制电磁干扰电容器的国际标准为iec60384-14,我们国内的gb/t14472-981和欧洲的en60384-14以及世界上其他国家的标准都和国际标准完全相同。 需注意的是美国的标准为ul1414,此标准和国际其他标准有不同之处。最主要的不同之处如下表：,7/15/2019,24,ul1414和iec标准的不同之处,7/15/2019,25,由于ul1414标准过严，许多电容无法达到此标准，故许多供往美国的安规电容采用了ul1283标准，但ul1283标准的英文名为emi filters 即滤波器，所以并不是严格意义上的电容器标准，ul1283标准和iec标准一样可以自选任何温度和标称电压，但没有了脉冲要求，只是对电容器的耐压提出了较高的标准，从严酷度来说，比iec标准低一些，比ul1414更低。,7/15/2019,26,安规电容器和普通交流电容器的不同之处,7/15/2019,27,安规电容的种类：,分x和y两大类 x类:根据不同的脉冲要求分x1、x2、x3,x1脉冲电压4kv，x2脉冲要求2.5kv,x3无脉冲要求。 需注意的是ul1414要求最低4kv脉冲，所以能符合ul1414标准的必须是x1 等级的电容。x类电容是只能跨接在电源两端，抑制差模干扰，不能用在接地抑制共模干扰的。 y类电容：根据不同的脉冲分y1、y2、y3，y1的脉冲要求是8kv，y2的脉冲要求是5kv，y3无脉冲要求。目前国内的薄膜电容只能做到y2。y2电容的脉冲要求要高于x类电容。 y2电容可以使用在接地抑制共模干扰上，当然也可以用在电源两端抑制差模干扰。y1电容由于脉冲要求太高，单个金属化薄膜类的电容器很难达到，但有的滤波器厂家是用两个y2的金属化薄膜电容串联后使用来达到y1的抗脉冲效果。 也有用陶瓷电容来做y2电容的，但陶瓷电容和薄膜电容相比有温度系数大和稳定性差的缺点。,7/15/2019,28,滤波器和抗干扰电容器的三种常用的高压试验波形：,电容器脉冲试验波形（适用于电气电路）,7/15/2019,29,浪涌试验波形（适用于电源电路输入端）,7/15/2019,30,振铃波试验波形（适用于供电回路）,7/15/2019,31,振铃试验等级,7/15/2019,32,三种试验的不同之处,7/15/2019,33,总结： 三种试验中，最严酷的是振铃试验，但振铃试验判别是否合格的标准最宽松，有四种判别方式，最低限度只要不造成安全隐患即可接受。 脉冲试验最宽松，但脉冲试验判别是否合格的标准最严，对被测电容所有参数变化有严格要求。 浪涌试验介于两者之间。 在选择电容器时，应注意三种试验的峰值电压是不同的，浪涌和振铃都有下冲电压。而脉冲试验没有下冲电压。,7/15/2019,34,如何避免滤波器浪涌试验失败,选用高脉冲等级的电容器。 端口加压敏电阻，在超高压时电阻阻值会大幅降低，将浪涌能量泄放掉 1）优点：峰值电流承受能力较大，价格低。 2）缺点：钳位电压较高（取决于最大浪涌电流），一般可以达到工作电压的23倍，因此电路必须能承受这么高的浪涌电压。另外，压敏电阻随着受到浪涌冲击次数的增加，漏电流增加。如果在交流电源线上应用会导致漏电流超过安全规定的现象，严重时，压敏电阻会因过热而爆炸。压敏电阻的其他缺点还有：响应时间较长，寄生电容较大。 3）适用场合：直流电源线、低频信号线，或者与气体放电管串联起来用在交流电源线上,7/15/2019,35,加瞬态二极管， 当二极管上的电压超过一定幅度时，器件迅速导通，从而将浪涌能量泄放掉。 （1）优点：响应时间短，钳位电压低（相对于工作电压）。 （2）缺点：由于所有功率都耗散在二极管的pn结上，因此它所承受的功率值较小，允许流过的电流较小。一般的二极管器件的寄生电容较大，如在高速数据线上使用，要用特制的低电容器件，但是低电容器件的额定功率往往较小。 （3）适用场合：浪涌能量较小的场合。如果浪涌能量较大，要与其他大功率浪涌抑制器件一同使用，瞬态二极管作为后级防护。,7/15/2019,36,加气体放电管，当气体放电管上的电压超过一定幅度时，器件变为短路状态，阻抗几乎为零。这种导通原理与控制电感性负载的开关触点被击穿的原理相同，只是这里两个触点之间的距离和气体环境是控制好的，可使击穿电压为一个确定值。气体放电管一旦导通后，它上面的电压会很低。 （1）忧点：承受电流大，寄生电容小。 （2）缺点：响应时间长。另外，由于维持它导通所需要的电压很低，因此当浪涌电压过后，只要加在气体放电管上的电压高于维持电压，它就会保持导通。在交流场合应用时，只有当交流电过零点时，它才会断开，因此会有一定的跟随电流。由于跟随电流的时间较长，会导致放电管触点迅速烧毁，从而缩短放电管的寿命。 （3）适用场合：信号线或工作电压低于导通维持电压的直流电源线上（一般低于10v）；与压敏电阻组合起来用在交流电源线上。,7/15/2019,37,三种浪涌抑制保护器的工作波形,7/15/2019,38,气体放电管和压敏电阻都不适合单独在交流电源线上使用。气体放电管的问题是跟随电流效应。压敏电阻的问题是随着受浪涌作用的次数增加交流漏电流增加。 比较实用的方案是将气体放电管与压敏电阻以及电容串联起来使用。 如图所示。如果在压敏电阻上并联一个电容，浪涌电压到来时，可以更快地将电压加到气体放电管上，缩短导通时间。这种气体放电管与压敏电阻的组合除了可以避免上述缺点以外，还有一个好处就是可以降低限幅电压值。在这里可以使用导通电压较低（低于工作电压）的压敏电阻，从而可以降低限幅电压值。图8的连接方式对浪涌电压的抑制作用如图9所示。,7/15/2019,39,气体放电管与压敏电阻组合起来的效果,7/15/2019,40,需要注意的是，浪涌抑制器件的寿命不是永久的，总会失效。因此，在结构设计上，应该便于更换浪涌抑制器件。并且，当浪涌抑制器件失效时，应该有明显的显示，提醒维护人员进行更换。 浪涌抑制器件的失效模式一般为短路，这可以称为安全模式。因为当浪涌抑制器短路时，线路会出现故障，从而提醒维修人员更换浪涌抑制器。但是，也有开路失效模式的可能性，这时往往会给设备带来危险，因为设备会直接处于没有保护的状态下。,7/15/2019,41,塑料件阻燃标准：,全世界使用最广泛的标准，是ul94标准，主要内容如下： ul94可然性试验包括下述四个测试方法： 材料分类为ul94hb的水平燃烧测定方法 材料分类为ul94v-0 ulv-1 ulv-2的垂直燃烧测试方法 材料分类为ul5v的垂直燃烧测试方法 材料分类为94vt m-0、94vt m-1、94vt m-2的垂直燃烧测试方法（超薄材料的防火标准）,7/15/2019,