5.5 滤波电容的选择

不合适的电容不能保证滤波器的高频性能，这也是很多干扰滤波器并不能对电磁干扰有效抑制的重要原因之一，因此正确地选用电容器对于干扰滤波器的高频特性来说影响是很大的。提高滤波器的高频性能，首先就是要选好和用好滤波电容。

前面已经讲了，电容器谐振会导致滤波频率范围过窄的问题，很多有一定经验的工程师会提出一个简单易行的方法，将一个大电容和一个小电容并联起来使用，用大电容滤除低频干扰、小电容滤除高频干扰。有的甚至用大、中、小三种电容并联起来使用。这种方法似乎是可行的，但是存在如下一些问题。

将大容量电容和小容量电容并联起来以后，随着频率变化这个并联网络会形成三个区域，如图5-17所示。在大电容的谐振频率以下，是两个电容的并联网络；在大电容谐振频率和小电容的谐振频率之间，大电容呈感性（阻抗随频率升高而增加），小电容则呈现容性，这样就等效成了一个LC并联网络；而在小电容的谐振频率以上时，则等效为两个电感的并联。

问题发生就在第二个区域，当大电容和小电容的阻抗相等时，相当于 LC 并联网络中 L的阻抗和C的阻抗相等，这个LC并联网络会在这个频率上产生并联谐振，造成其阻抗为无穷大，这时这个电容并联网络实际上已经失去了滤波作用。如果恰好在这个频率上出现了较强的电磁干扰，那么这时就会导致干扰问题。如果将大、中、小三种容值的电容并联起来使用，就会有更多的谐振点，那就意味着滤波器会在更多的频段上失效。

使用三端电容可以使上面的问题有所改善。三端电容与普通电容不同，它的其中一个电极上有两根引线。使用时，将这两个引线串联在需要滤波的线路中，从这种电容结构的等效电路中可以看出，只有接地引线上的电感还起着不良作用，而另一个电极引线上的寄生电感的有害作用已经消除了，如图5-18所示。

三端电容的滤波特性如图 5-19 所示。用三端电容器作为低通滤波器的旁路电容时，其滤波特性在频率较高的范围内，比普通电容的效果提高了很多。三端电容为什么会有这样的效果呢？再来看一下它的结构，通过图 5-18 不难看出，三端电容在一个电极上的两个导线的电感与电容刚好构成了一个 T 形低通滤波器，这种结构不仅消除了这个电极上的导线的电感负面作用，而且带来了好处。为了增加这种滤波效果，还可以在这两根引线上套上两个铁氧体磁珠，以增加电感的作用，这就构成了常见的片状滤波器，在使用片状滤波器或三端电容时，要注意接地的引线一定要短。

虽然三端电容器比普通电容器在滤波效果上有所改善，但是从图 5-19 可知，在较高的频段内和理想电容相比还是有很大差距的，这是因为有下面两个因素制约了它的高频滤波效果：一个是两根引线间的分布电容，这些电容可以将高频信号在滤波器的输入端耦合到输出端；另一个是接地引线的电感对高频信号形成了较大的阻抗，如图5-20所示。

目前，还有一种贴装的三端电容，由于它的接地电感很小，因此比引线式三端电容具有更好的高频特性。图 5-21 所示是这种电容的外形图和滤波特性曲线。在实际使用中，将滤波前后的电路隔离可以进一步提高贴片三端电容的滤波性能，如图 5-22 所示。在电路板上安装贴片三端电容时，可以将滤波前后的导线分别布在地线层的两面，这样相当于利用了多层印制板中的一层地线作为隔离层，由于贴片三端电容的尺寸很小，因此实际上在地线层上开的过孔很小，不会对隔离效果造成很大影响。

使用穿心电容可以彻底解决宽带电磁干扰滤波的问题，穿心电容有很多种构造，从介质种类上分，有有机薄膜介质的和陶瓷介质的两种，有机薄膜介质的穿心电容体积比较大，适用于大电流电源线的滤波。需要注意的是，有些体积较小的有机薄膜介质穿心电容的寄生电感较大，不适合于高频电磁干扰滤波的应用。陶瓷介质的穿心电容在电磁干扰滤波领域的应用最为广泛。陶瓷介质穿心电容有管形穿心电容和多层陶瓷片状穿心电容两种结构，如图5-23（a）所示。

管形穿心电容的基本结构是以陶瓷管为介质，并在其内壁和外壁涂覆银层作为电容的两个电极，外电极与金属外壳相连，内电极与穿过陶瓷管中心的引线相连。这种结构的穿心电容优点是结构简单、成本低；缺点是容量比较小，一般在实用的尺寸内，容量很难超过0.01μF，截止频率在 300kHz 左右[f _c =1/（2πrc）=1/（2π×50×10 ^-8 ）=300kHz]；其中，r 为电容自身阻抗，一般取50Ω，因此无法满足对频率较低的干扰滤波的要求。

为了解决这个问题，后来人们又研发出了多层陶瓷电容，采用多层陶瓷结构的穿心电容能够在很小的体积内获得很大的容量，可满足宽带干扰滤波的需求。

从穿心电容的结构可以看出，穿心电容实质上也是一种三端电容，其内电极连接两根引线，外电极一般作为接地线。使用时，外电极通过螺装或焊接的方式直接安装在金属面板上，需要滤波的信号线连接于芯线的两端，如图 5-24 所示。穿心电容的阻抗特性与理想电容最为接近，如图 5-25 所示，因此它的有效滤波频率可达到数GHz以上。

由于穿心电容的外壳与金属面板之间是在 360°的范围内连接的，连接电感非常小，可以使其具有理想的滤波特性，因此对于高频信号来说，穿心电容的阻抗很小，能够起到很好的旁路作用；另外，用于安装穿心电容的金属板起到了隔离板的作用，使滤波器的输入端和输出端得到了有效的隔离，避免了高频时的耦合现象。

将穿心电容与电感组合起来就构成了一个馈通滤波器，这种滤波器的性能要比单独使用穿心电容更好。图 5-26 所示是常见的馈通滤波器的外形和内部结构。在使用馈通滤波器时，要避免高温焊接和高低温冲击，这些因素会造成器件损坏或降低其可靠性。另外，由于滤波器的外壳金属很薄，使用螺纹安装型的馈通滤波器或穿心电容时，需避免过大的扭矩，以防止因过大扭矩造成的器件损坏。