一、电磁干扰EMI

我们要了解单片机USB接口电路中去耦电容的应用。首先要介绍一下去耦电容的应用背景,这个背景就是电磁干扰,也就是传说中的 EMI

  1. 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. 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. 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,后边我们要一点点的了解。这些问题不是小问题,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。而且,即使不损坏,在 2、3 里边介绍的两种现象,也已经严重干扰到设备的正常使用了。 基于以上的这些问题,就诞生了电磁兼容(EMC)这个名词。电磁兼容的处理在今后设计电路,对 PCB 画板布局中应用尤为重要。

二、去耦电容的应用

左边这张图,过了保险丝以后,接了一个 470uF 的电容 C16;右边这张图,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。

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。这种电容常用的有铝电解电容钽电容陶瓷电容

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,一般推荐 1.5 倍到 2 倍即可,有些场合稍微再高点也可以。我们板子上用的是 10V 耐压的。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。

容值较小的电容,是 0.1uF,也就是 100nF,是用来滤除高频信号干扰的。比如 ESDEFT 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。