用于电磁干扰抑制的片式元件(二)

6 片式高频噪声抑制组件

EMI滤波电路按基本构成可分为三种，从最简单的单个电容或电感元件（已经介绍过的片式铁氧体磁珠、片式电感器和片式电容器就是这种元件），到电感与电容的二元件复合电路，再到三元件构成的T型或π型电路。不同的组合有不同的频率－插入损耗特性。

在理想情况下，单个元件构成的电路中，频率每升高10倍，就会得到20dB的插入损耗。同样，对二元件的复合电路，频率每升高10倍，就会得到40dB的插入损耗。对三元件构成的T型或π型电路，频率每升高10倍，就会得到60dB的插入损耗。由此可见，电路的元件数越多，电路插入损耗的特性就会越陡。

6.1 各种不同的片式高频噪声滤波组件
6.1.1 片式T型或π型高频噪声滤波组件
采用叠层工艺制作的高频噪声滤波器组件，可以在很小的尺寸内实现T型（如村田的NFL18ST系列）或π型（如村田的NFL18SP和NFL21SP系列）的滤波器结构。这种滤波器有着非常陡峭的插入损耗特性，使得它对高速信号线有了极好的噪声抑制功能，防止了信号波形的失真。器件内部对电感器成功的杂散电容控制，获得了在高频范围内噪声的抑制。另外，组件的电极采用相同的结构，所以不存在极化的问题。这种组件可用于视频信号线（RGB线）和高速信号和时钟线的噪声抑制。


图20为NFL18ST系列组件（尺寸为1.6×0.8×0.8mm），内含有单个T型滤波器，截止频率有200、300和500MHz三种，额定工作电压为16VDC，额定工作电流在150mA至200mA（视型号）。


图21为NFL18SP系列组件（尺寸为1.6×0.8×0.6mm），内含单个π型滤波器，截止频率有150、200、300和500MHz四种，额定工作电压为10VDC，额定工作电流为100mA。

NFL21SP系列组件（尺寸为2.0×1.25×0.85mm）也是一种π型滤波器，截止频率有10、20、50、70、100、150、200、300、400和500MHz等十种，额定工作电压为16VDC，额定工作电流为100~300mA（视型号）。

从图20和图21可以看出，这两种滤波组件（一种是T型，另一种是π型滤波组件）有着非常相近的插入损耗特性，但是要注意，这是在特定系统（50Ω-50Ω系统）中的测试结果。按照滤波组件与干扰源以及被保护部件的选择原则，在实际应用时，应该根据干扰源和被保护部件的阻抗情况选用内部线路不同的组件（是T型或者是π型滤波组件），否则很难保证滤波组件的使用效果，详见6.2节。

6.1.2 片式L-C型高频噪声滤波组件
村田的片式L-C型高频噪声滤波组件有NFA18SL和NFA21SL两个系列，在一个小尺寸的组件里安装了4个L-C电路，它们陡峭的插入损耗特性曲线，特别适合于对800MHz及以上频率的噪声抑制。常用于对LCD以及照相机模块数据线的噪声抑制。

其中，NFA18SL系列组件（尺寸为1.6×0.8×0.8mm）的截止频率有300、400和480MHz三种，额定工作电压为10VDC，额定工作电流为100mA。图22是NFA18SL系列组件的插入损耗-频率特性。



另一种NFA21SL系列L-C型高频噪声抑制组件（尺寸为2.0×1.25×0.85mm）的截止频率有80、200、280、300、310和330MHz共11种（除80MHz外，其余组件，一个频率有两个型号），额定工作电压为10VDC，额定工作电流为100mA（80MHz的只有20mA）。

6.1.3 片式复合绕线型滤波组件
村田的NFW31S系列是高性能片式复合绕线型滤波组件，可用于高速数字电路的噪声抑制，特别是用在信号和噪声频率彼此接近的场合，而对信号本身不产生衰减（或只有极少衰减）。组件内部的独特结构设计实现了至高频范围的卓越噪声抑制能力（1GHz时的标准衰减值为40dB）。整个NFW31S系列有截止频率从10MHz到500MHz的9个不同型号（分别为10、20、50、100、150、200、300、400和500MHz）。图23是NFW31S系列组件的插入损耗-频率特性。


6.1.4  片式阻容复合滤波组件
村田还有NFR21G（单路，2.0×1.25×0.5mm）和NFA31G （4路，3.2×1.6×0.8mm，每路中心距为0.8mm）片式阻容复合滤波组件，是由电阻（对NFR21G为22~100Ω；对NFA31G为10~100Ω）和电容（对NFR21G为10~100pF；对NFA31G为6.8~100pF）组成的R-C滤波电路。在电路设计上巧妙地利用分布参数，实现了阻抗的平滑变化，从而阻止了信号的反射和畸变。滤波电路中的电阻分量可以吸收噪声，并通过电容将其返回地线。电路设计中不存在极化问题，因而可以在双向传输线中使用。主要用于容易产生波形失真的接口线路和时钟线路中。

NFR21G系列阻容复合滤波组件等效电路和插入损耗-频率特性见图24。图25则给出了NFA31G的外形和等效电路。

6.1.5 大电流LC复合型T型滤波器
村田还有一种大电流LC复合型T型滤波器NFE31P/61P/61H，由于它有很低的直流电阻，即使有大电流通过时所产生的压降也很低，因此非常适合于在直流电源线上使用。另外，由于滤波器中所采用的穿心电容具有很好的高频特性，再加上内藏的铁氧体磁珠，它大大地降低了与周围电路发生谐振的可能性。同时考虑到滤波器中穿心电容的电容量选择范围很宽，因此这种滤波器还可以在信号线上得到应用。

其中，NFE31P系列（外形尺寸为3.2×1.6×1.6mm）的额定工作电压为25V，额定工作电流达到6A。滤波器内部的静电容为22~2200pF（共分7档）。
NFE61P系列（外形尺寸为6.8×1.6×1.6mm）的额定工作电压为50V，额定工作电流达到2A。滤波器内部的静电容为33~4700pF（共分8档）。
NFE61H系列（外形尺寸为6.8×1.6×1.6mm）的额定工作电压为100V，额定工作电流达到2A。滤波器内部的静电容为33~3300pF（共分8档）。
以NFE31P系列为代表，给出其等效电路和插入损耗-频率特性，参见图26所示。

6.1.6 表面贴装的高性能滤波器
村田的表面贴装高性能BNX系列滤波器有通过电流高（视型号不同为10~15A不等）和直流电阻低的特点。滤波器内部有多个滤波元件，因此它有很高的插入损耗（1MHz~1GHz范围内的插入损耗最小值为35dB~40dB）和很宽的频率范围(1MHz~1GHz)，对静电放电和尖峰干扰也能有良好的抑制作用。被广泛地用在显示器、LCD电视机、数码AV设备、娱乐设备、电脑外围、工业设备、测量仪器和供电电源中。
村田的BNX滤波器有6个型号：

图27为这些滤波器的外形图。图28进一步给出了BNX012-01和BNX016-01滤波器的内部线路和插入损耗-频率特性。

6.2 高频噪声滤波组件使用中应当注意的一个问题

尽管已介绍的每种器件都有足够优良的插入损耗和阻抗特性，但在实际应用时，未必取得满意结果。究其原因，这些器件的插入损耗都是在测试标准所规定的特定条件（测试用的信号源的内阻是50Ω；测试用的测量接收机的输入阻抗也是50Ω）下进行的。而接入线路中的噪声源和负载（接在高频噪声抑制组件后面的受保护线路）的阻抗却是一个未知数（可能大于，也可能小于50Ω；甚至有可能在某些频点上是大于50Ω，而在另外一些频点上却是小于50Ω），所以情况非常复杂，使得高频噪声抑制组件的使用效果难于预测。

图29中给出了高频噪声滤波组件的一般使用原则：当电路是高阻抗的，可选用电容型滤波器（或π型滤波器）；如果电路是低阻抗的，可选用电感型滤波器（或T型滤波器）。如果滤波电路两侧的阻抗相差较大时，则对阻抗低的一侧，采用电感型滤波器；而对阻抗高的一侧，采用电容型滤波器。这种处理会使滤波效果大大提高。

7 片式压敏电阻

随着电子产品的小型和多功能化，集成电路的集成度和速度大幅提高。与此同时，电路的敏感度也在不断提高，半导体芯片在电脉冲的冲击下显得越来越脆弱。通过传导和感应进入电子线路的各类电磁噪声、浪涌电流、甚至人体静电放电都能使整机产生误动作或损坏半导体元器件。芯片内部的保护电路由于空间受到限制，不可能将完善的保护线路和器件集成在一个芯片里，必须使用片外辅助的抑制器件。传统的圆片型氧化锌压敏电阻由于尺寸大、压敏电压高、响应速度低、能量耐受能力小等缺点，不能满足新型电子产品保护的要求。目前片式叠层氧化锌压敏电阻已在逐渐取代圆片型压敏电阻，甚至硅瞬变电压吸收二极管（TVS管），成为新型电子产品脉冲保护的首选元件。

7.1 片式叠层压敏电阻的结构和工作原理

图30是片式压敏电阻的外形和内部结构。
压敏电阻以ZnO为主要原料，并添加Bi、Sb、Co等。由于ZnO的晶粒是一种半导体，电阻率只有0.1~1Ω•cm。而添加物存在于晶粒之间的边界层，电阻率极高，为1012~1013Ω•cm。这样ZnO粒子中的电子要想到达临近的粒子，就必须要穿过边界层，这需要一定的能量，通常要2~3V的电压。片式压敏电阻内部，ZnO粒子排列在内部电极之间，电流方向则由所施电压决定，见图31。

由于压敏电阻具有上述特性，故在一定电压下，内部晶粒间的阻值非常大，呈绝缘状态。但当电压超过某值之后，内部内阻急剧下降，电极之间开始有电流通过。利用这一特性，在被保护线路中如有异常电压侵入，压敏电阻就将导通，而将保护电路的电压维持在正常水平下。片式压敏电阻的伏安特性能够为受保护电路提供双向瞬态过压保护。见图32。

7.2 片式叠层压敏电阻的特点
与传统的圆片型氧化锌压敏电阻相比，片式压敏电阻具有以下优点：
① 体积更小。目前3×1.5mm已经成为片式压敏电阻的标准尺寸，为同类圆片型压敏电阻器和TVS管尺寸的1/4到1/3。2×1.25mm、1.6×0.8mm和1×0.5mm等尺寸标准也得到了应用。日本的村田制作所和松下公司甚至在1997年和1998年就已经推出了0.5×0.25mm型片式压敏电阻。
② 能量耐受能力和通流能力更强。表3是西门子－松下公司生产的圆片型压敏电阻和片式压敏电阻的性能进行比较。
表 3

表3可见，对压敏电压相同的圆片型和片式压敏电阻产品，后者的8/20μs脉冲电流峰值和2ms方波能量耐受能力可达到前者的8倍和6倍。这是因为叠层结构使可用电极面积增加，也使电流分配更加均匀所造成的。
在片式压敏电阻内部，氧化锌陶瓷层与金属内电极层是相互交替叠合的结构，相邻的两内电极与所夹的陶瓷层组成一个单层“压敏电阻”，这些小的“压敏电阻”又通过外电极彼此并联在一起，从而大大提高了叠层压敏电阻的有效电极面积，使得瞬态过电压所产生的热量能均匀地耗散在外电极间的整个区域内，从而保证了元件高的能量耐受能力。
同时，叠层结构使得器件具有类似大电流功率晶体管的外电极电流注入模式，这对于实现其大通流容量同样重要。
③ 残压比小，保护性能好。压敏电阻保护性能的好坏主要取决于残压比（大电流通过时的限制电压与压敏电阻的压敏电压之比）。由于采用多层结构，当脉冲电流峰值一定时，流过片式叠层压敏电阻两内电极间的电流仅为I/n (n为内部陶瓷层数) ，其残压比必然较小。因此，对于压敏电压相同的片式叠层和圆片式压敏电阻相比，前者的保护性能将显著好于后者。
④ 响应速度更快、电压过冲小。氧化锌材料本身的响应速度极快，响应时间小于500ps。而传统圆片式氧化锌压敏电阻的响应速度较慢是由于其封装和引线带来的寄生电感造成的。而片式压敏电阻采用表面安装形式，无任何引线和外部封装，几乎是零电感，因此响应时间极短，仅为1ns~5ns，而且电压过冲很小，甚至可以用在对静电放电的保持中（由于压敏电阻有固有的静电容问题，用在静电放电的保护中，不会在静电放电吸收波形的前沿出现“尖刺”，就这一特点来说，可以比硅瞬变电压吸收二极管取得更好效果）。
⑤ 压敏电压易调。圆片式氧化锌压敏电阻的压敏电压不仅与材料配方和器件厚度有关，而且受制造工艺影响很大。片式压敏电阻由于采用并联叠层结构，压敏电压仅与单层介质的厚度有关，而与整片的厚度无关，因此可以在流延工序中通过控制陶瓷层的厚度灵活调整器件的压敏电压。
⑥ 压敏电阻的固有静电容问题（在普通的圆片式压敏电阻中同样存在）。对于低频电路，大的静电容是有益的，因为它可以滤去高频干扰而使低频信号顺利通过。但是对于高频电路则正相反，大的瑞电容会导致信号恶化，降低电路对信号的识别能力。随着线路传输速度的提高，这一问题越益成为电路设计中不容忽视的问题。目前，片式压敏电阻产品的标准电容值为数十pF到几千pF不等，可适用于从普通的音频、视频信号到符合USB1.1标准，即数据传输率最高为12Mbps的电子线路。对于更高的传输速率，可以考虑在压敏电阻的制作原料中添加Sb2O3以降低材料的介电系数和在片式压敏电阻内部设计制作串联微间隙来降低片式压敏电阻的电容量。

7.3 片式叠层压敏电阻例
这里以MARUWA的片式压敏电阻为例说明分类及其应用。
为比较片式压敏电阻的主要技术性能，下面是经常用到的一些术语：
● 最大允许电路电压，VACrms，VDC(V)：正常工作时，压敏电阻两端可以连续施加的最大电压。
● 峰值浪涌电流耐量，IMAX(A)：能承受的8/20μs浪涌电流波的最大电流峰值（一次）。
● 能量耐量，E(J)：只施加1次脉冲信号，压敏电阻不会遭到损坏时所能承受的最大能量耐值。
● 最大限制电压，Vc(V)：规定峰值的8/20μs电流浪涌波通过时，压敏电阻两端出现的电压最大值。
● 压敏电压，V1mA：1mA电流通过时，压敏电阻两端出现的电压。
● 伏安特性曲线：压敏电阻的电压-电流对应变化的曲线。

7.3.1 高速数线保护用片式叠层压敏电阻
MARUWA的CVL系列片式叠层压敏电阻（表4）因其低电容的特点，可以用在高速数据线上而不会引起波形衰减。该系列的片式压敏电阻在性能上能符合IEC61000-4-2标准对接触放电第4级的要求。此外，元件本身有高可靠性，而且没有引线。非常适合在USB2.0和其他高速信号线，以及高频应用场合里对静电放电实施保护。

7.3.2 静电保护用片式叠层压敏电阻
MARUWA的CVS系列片式叠层压敏电阻（表5）由于电容低，可用在高速信号线上。它可以快速对脉冲响应，并且有低的ESR值，所以可用在对静电和浪涌进行保护上。该器件的可靠性高、体积小、吸收电流大，且无引线。主要应用在对便携式设备、AV设备进行防静电和浪涌的保护；也可用于对各种半导体元件进行过电压保护。

7.3.3 低电压电路保护用片式叠层压敏电阻
MARUWA的CVG系列片式叠层压敏电阻（表6）在紧凑的器件尺寸里可以吸收非常大的脉冲峰值电流，而且该系列压敏电阻具有高的可靠性，优良的保护特性和非常快速的响应速度。常被用于对各种半导体器件的过电压进行保护；也用于各种电子设备对感应雷击的保护；同时对于由继电器、喇叭和马达所引起的切换瞬变，以及对于由静电和浪涌所形成瞬变进行保护。
● MARUWA还有一种后缀为B的产品（如CVG30B，CVG40B）可以供应，其外形、电压档级、吸收电流、压敏电压等与表中规格都相同，唯同样的产品在静电容方面减小了一半略多一点。

7.3.4 车载电器保护用片式叠层压敏电阻
MARUWA的CVA系列片式叠层压敏电阻（表7）是专门用在供电电压为12VDC的汽车配套电气设备里的片式叠层压敏电阻。这一系列的压敏电阻具有尺寸紧凑，吸收的脉冲峰值电流特别大的特点。另外，它还具有高的可靠性，优良的保护特性和快的响应速度。被用来保护汽车配套的电子设备免受感应雷击；保护各种半导体器件免受过电压危害；对继电器、喇叭和马达产生的切换瞬变，以及静电和浪涌都能进行保护。

7.3.5 较高电压线路保护用片式叠层压敏电阻
MARUWA的CVH系列片式叠层压敏电阻（表8）是专门用在高电压系统（100VAC和200VAC）的电源电路中的压敏电阻。与其他公司比较，与该系列相类似结构、类似规格的片式压敏电阻还不多见。主要用来保护各种电子设备，防止它们受到感应雷击的攻击；还可用来保护各种半导体器件免受过电压危害；同样也可以用来对继电器、喇叭和马达的切换瞬变，以及静电和浪涌的冲击进行保护。