EMI对策元件和电路保护元件的发展与应用

爱兰

  摘要：简要介绍EMI对策元件和过电压、过电流、过热电路保护元件的一些最新进展及其应用状况。
关键词：电磁干扰；对策；电路保护元件
　1 前言
   随着电子产品的发展，特别是在我国加入WTO后与世界经济接轨的宏观环境下，人们对各类电子产品的电磁兼容性与可靠性、安全性提出了更高的要求。这就极大地促进了EMI对策电子元件与电路保护电子元件的飞速发展，成为电子元件领域中的1个热点，引起人们的极大关注。这类电子元件品种繁多[1][2][3]，虽然近两年没有出现什么特别令人注目的新发明、新品种，但是这类电子元件型号规格的增多、参数范围的扩大以及抑制电磁干扰能力和保护电路能力的提升都非常显著。特别是在这类电子元件的应用方面，应用范围的迅速扩大与需求量的急剧上升，都是十分惊人的。本文着重介绍其应用情况及市场前景。
2 EMI对策元件的新进展[4][5]
2.1 微小型化
   迫于电子产品向更小、更轻、更灵巧的方向发展，EMI对策元件继续向微小型化发展，如片式磁珠和片式电容器的主流封装尺寸已经逐步从1608（0603）过渡到1005（0402）；又如日本村田新发布的3绕组共模扼流圈的尺寸仅为2.5mm×2.0mm×1.2mm；在3.2mm×1.6mm×1.15mm的尺寸内封装了两个共模扼流圈阵列。
2.2 高频化
   目前，电子产品向高频化发展的趋势十分明显，如计算机的时钟频率提高到几百兆赫乃至千兆赫；数字无线传输的频率也达到2GHz以上；无绳电话的频率从45MHz提高到2400MHz等，因而由高次谐波引起的噪声也相应出现在更高的频率范围，EMI对策元件也随着向高频化发展，例如，叠层型片式磁珠的抑制频率提高到GHz范围。国内南虹、顺络、麦捷以及国外的Murata、TDK、Taiyo－yuden、AEM、Vishay等公司都已推出性能优良的GHz片式磁珠，其抑制噪声频率在600MHz～3GHz，满足了高速数字电路的要求；村田的3端片式穿心陶瓷电容器的抑制频率范围为3MHz～2000MHz；TDK开发的1005（0402）片式电感器的使用频率达到12GHz。
2.3 复合化和多功能化
   在电子产品中经常有排线部位，如I/O排线。为了使用方便，节省PCB面积，加快表面贴装速度，一些片式EMI对策元件已经阵列化。在1个封装内通常含有2、4、6、8个EMI对策元件。此外，将不同功能的EMI对策元件组合在1个封装内，达到多功能的目的。如将噪声抑制功能与静电放电保护功能组合在一起；将电容器与电感器或电阻器组合在一起；将共模噪声抑制与差模噪声抑制组合在一起等，都体现了向多功能化发展的趋势。
2.4 新材料和新元件
   众所周知，尖晶石型软磁铁氧体和BaTiO3基陶瓷材料在EMI对策中占有十分重要的位置。近年来，又开发出一些新型材料，可用于抗电磁干扰，如6角晶系铁氧体材料、金属磁粉材料、非晶及超细晶金属磁性材料、高分子磁性材料、高分子介质材料、复合介质材料及纳米材料等。这些新型材料将在电磁兼容领域崭露头角，值得人们密切关注。EMI对策元件也有很多进展，如Murata公司，在3端片式电容器（叠层型片式穿心电容器）的基础上，又开发出含有电阻器的3端片式电容器NFR系列、含有电感器的3端片式电容器NFW系列、含有两个磁珠的3端片式电容器NFL系列，以及Ni电极、大电流（6A）、大容量（1?F）系列等；铁氧体薄膜共模扼流圈的封装尺寸为3.2mm×1.5mm×1.15mm，在100MHz时，其共模阻抗可达550?，而其差模阻抗不超过10?，特别适用于高速数字信号线；叠层型片式3绕组共模扼流圈的尺寸仅为2.5mm×2.0mm×1.2mm，它可以非常有效地在音频信号线上抑制来自高速数字电路的高频噪声而不会造成声音的畸变和串音，在最新款式的袖珍音影电子产品（如MP3）中，十分受欢迎；薄膜扼流圈阵列的尺寸为3.2mm×1.6mm×1.15mm，内部封装了2个共模扼流圈；TDK将一个共模扼流圈和一个差模扼流圈封装在一起，尺寸仅为3.2mm×2.5mm×2.3mm；英国的Syfer公司将2个Y电容器和1个X电容器集成在一起，构成1个叠层型片式X2Y电容器组件，同时抑制共模和差模噪声，其封装规格为2012（0805）和3216（1206），用于DC电源滤波器。美国的AVX公司深入研究了叠层型片式穿心滤波电容器（Feedthrough Filter Capacitor），经过精心设计内部电路，将70％的寄生支路电感转移成输入/输出线上的串联电感，起到1个T形低通滤波器的作用，从而显著提高自谐振频率，加宽对噪声抑制的频宽和强度。该公司还开发了一种新材料，用叠层技术解决了R-C组合问题，避开了陶瓷膜－银电极－钌系电阻膜共烧的复杂工艺，开发出一系列称之为Z产品的组件，如R-C组件、R-C-R低通滤波器及其阵列等。
3 EMI对策元件的应用
   如前所述，对各类电子产品的电磁兼容性能要求越来越严格，迫使各类电子产品中必须安装大量的不同性能、不同规格的EMI对策元件，从而为EMI对策元件产业开拓了广阔的市场空间。为了说明这种趋势，下面列举14种常用电子产品中EMI对策元件的使用状况，供大家参考。
3.1 家用电器
   电冰箱、空调、洗衣机、微波炉、热水器等家电都是电磁干扰源。它们在开关/启动或出现故障时，都会产生瞬间电压尖峰和浪涌电流以及高频电磁干扰，并将这些电磁干扰输入电网或辐射到周围空间。这都有可能超出电磁兼容标准所允许的范围，导致这样的家电不能进入市场。为了避免出现这些问题，应在家用电器的电源输入端安装相应规格的电源滤波器，甚至在插头、插座、接线板上都应安装低频EMI滤波器，可见需求量很大。
3.2 直流/交流电源
   各种电源无处不在，需求量很大，有人估计到2005年仅通信电源的市场规模就能达到近百亿元。电源的发展方向之一就是满足电磁兼容要求。在直流电源中，一般都插入1个共模扼流圈，抑制共模噪声；在输出线上串入铁氧体磁珠和3端电容器，抑制差模噪声。目前通信用直流电源的主流输出电压为3.3V，正向1.8V过渡，该直流低电压是由降压开关电源输出的，直流电压越低，噪声的影响越大。在交流电源中，一般采用由共模扼流圈和X2Y电容器组成的低通滤波器，扼流圈和两个Y电容器抑制共模噪声，X电容器抑制差模噪声，必要时可以再加入一个X电容器和两个磁珠。
3.3 笔记本电脑
   笔记本电脑的形状扁平、体积小，相对而言，电子件的组装密度较高，为了减轻重量，一般不用纯金属外壳，所以笔记本电脑的电磁干扰问题较突出，其壳体、连接缆线，以及LCD显示屏与主板的连接排线等都会向外辐射电磁干扰。为了达到电磁兼容标准，除改进外壳和连线的电磁屏蔽性能外，更关键的是必须采用一些高质量的EMI对策元件。例如：在DC电源线上串入铁氧体磁珠或扼流圈，并加入1个3端电容器（应接地良好）；在CPU高速数据总线上串入高频磁珠、片式3端电容器；图像控制器与LCD驱动器之间由多条高速数据排线相连接，必须安装共模扼流圈、LC滤波器、高频磁珠、3端电容器等EMI对策元件，或者这些元件组成的阵列；在各个USB接口以及光驱/软驱接口，都必须安装相应的EMI对策元件。
3.4 台式电脑
   台式电脑的内部和外部有许多电磁干扰源，都必须加以抑制。所用的开关电源往往产生开关频率高次谐波噪声，必须在输出端安装EMI滤波器、铁氧体磁珠和3端电容器；在数据总线串入片式GHz磁珠和片式3端电阻器－穿心电容器；在时钟线要插入信号线LC滤波器或片式磁珠；在视频信号线上应串入适合于高速数字信号的LC滤波器；与外设的接口处都应安装相应的EMI对策元件；此外，交流电源线引入的噪声、PCB总噪声、接地噪声、显示器噪声、与外设相连的USB噪声等都必须予以抑制。
3.5 传真机
   传真机主要由开关电源、控制主机板、传感器、马达、电话、录音装置等组成，一般没有电磁屏蔽壳体，为了达到EMC标准，需要在各部位安装相应的EMI对策元件。例如，在输入交流电源处应有电源滤波器，使主机与电网隔离；在其DC电源应接入磁珠和3端电容器；在时钟线和数据总线上应安装高速信号线LC滤波器或高频磁珠/3端电容器；在传感器端口安装高频磁珠和3端电容器；在CPU振荡器输出口应串入高频磁珠；在通信线路和听筒连线上接入对音频信号没有影响的共模扼流圈；在马达信号线上串入铁氧体磁珠，在记录头处还应加入防浪涌电流的电路保护元件。
3.6 打印机
   打印机工作时主机板和打印驱动系统都会产生电磁干扰，并经过与PC的连接电缆和打印机的电源线向外传导和辐射。因此，在交流电源处应安装电源滤波器；在IC的直流电源输出线上串入磁珠，抑制高频噪声；在数据线上加入高频磁珠和3端电容器；在CPU振荡器输出口串联GHz磁珠；在时钟线上加入LC信号线滤波器或片式3端穿心电容器及高频铁氧体磁珠；在马达控制线上也要串联铁氧体磁珠和穿心电容器，并使之接地条件良好。此外，有时打印纸的移动摩擦会产生静电，也应予以注意。
3.7 移动通信手持机
   GSM与CDMA两种制式的手持机有很大差异，但是为了达到抗电磁干扰而采用一些EMI对策元件的做法基本是一致的。例如，在射频和中频部份，为了使带通滤波器的阻抗匹配，需要高频片式电感器；在RF和IF放大器输出端加入扼流圈或磁珠，以抑制高次谐波；为了抑制时钟信号噪声，需要串入高频磁珠；在所有高速数据线上，都要采用EMI对策元件来抑制数字电路所产生的噪声；在音频线路中需要安装只能抑制高频噪声而不会造成音频信号畸变和串音的共模扼流圈，如日本村田的最新产品DLM2HG型片式3绕组共模扼流圈；在电池部份应加电路保护元件，如叠层型片式压敏电阻器或PTCR/NTCR。
3.8 汽车定位系统
   一般汽车定位系统虽然体积小，采用金属外壳，但从接口缆线和天线联线都能传导和辐射电磁干扰，对其它汽车电子设备造成干扰。应在数据线和时钟线安装LC信号线滤波器、高频磁珠和片式3端穿心电容器；在缆线接口处插入片式3端穿心电容器、铁氧体磁珠或电感穿心电容滤波器；在DC电源输出口加入扼流圈、磁珠或穿心电容器。
3.9 蓝牙模块
   蓝牙技术刚刚兴起，蓝牙模块制式很多，但无论怎样，在其基带和射频电路中都必须采用一些EMI对策元件，如通用型片式磁珠、高频片式磁珠、高频片式电感器、EMI信号滤波器、片式3端电容器等。
3.10 DVD
   音频和视频输出线以及电源线都向外辐射或传导电磁干扰，特别是图像处理需要高速数字信号，因而它产生的噪声频率可达到千兆赫范围。为了保证高质量的图像和声音，同时达到电磁兼容的目的，必须在电路中安装一些高性能的EMI对策元件。例如在图像压缩编码器与同步随机动态存贮器和图像IC之间，都是高速数字信号，必须串入近年来开发的GHz铁氧体磁珠或LC高速信号线滤波器；在音频信号和视频信号输出线上要插铁氧体磁珠；在时钟线安装滤波器、磁珠或3端电容器；在AC电源安装共模扼流圈和X2Y电容器；在DC电源输出端串入铁氧体磁珠和片式3端穿心电容器，以滤除高频噪声。
3.11 MP3
   MP3是最近市场上出现的一种体积小巧而容量很大的数码音影播放机，它能够将大量歌曲存储在1个尺寸很小的条形存储器（Memory Stick）内，受到消费者的欢迎。MP3采用高速D/A、A/D转换器以及信号压缩技术和增强大容量存储技术，其内部数字电路产生的高频噪声和音频噪声可以从耳塞线向外辐射。在数字电路中可以安装南虹/顺络等公司新开发的磁珠；在音频线路中可装入3绕组铁氧体扼流圈，如日本村田的新产品DLM2HG，能够同时抑制高频共模和差模噪声，而不会引起音频信号的畸变和交扰。
3.12 机顶盒（数字电视机）
   在微处理器与RAM和图像IC之间串入磁珠阵列、LC信号线滤波器或片式3端穿心电容器；在视频信号输出端口安装IC滤波器或片式3端穿心电容器；在音频信号输出端口串入高频片式磁珠；在TS输出端口加入片式共模扼流圈或其4线陈列；在DC电源和AC电源中应安装相应的EMI对策元件。
3.13 ADSL
   宽带网发展很快，已进入居民家庭。ADSL调制解调器和线卡都需要安装不同特性的EMI对策元件，如高频片式电感器、铁氧体磁珠、共模扼流圈、大电流片式3端穿心电容器、磁珠阵列等。
3.14 USB（Universal Serial Bus）
   随着信息技术的发展，传输数据的速度与容量日益增加。1台PC主机必须与多台外设相连接，如显示器、键盘、鼠标、打印机、扫描仪、数码相机等，这些连接都要使用USB。一般USB有4个插针，其中2个是信号线，另外2个是电源线。信号线上传输高速数字信号时，经常受到由回路感生的共模噪声的干扰，因而在2个信号线插针上应安装共模扼流圈；在2个电源线插针上串入大电流铁氧体磁珠。由上述实例可知，现代电子产品都离不开各种特性的EMI对策元件，这为EMI对策元件开拓了广阔的市场。
4 电路保护元件及其应用
   人们对电子产品的可靠性、安全性要求日益苛刻，因而在电子产品中必须安装一些电路保护元件，这种趋势促使电路保护元件迅速发展，形成电子元件领域中的1个新的生长点。电路保护元件可分为3大类，即过电流保护元件、过电压保护元件及过热保护元件。
4.1 过电流保护元件
4.1.1 通用金属丝－玻璃管型熔断器
   通用金属丝－玻璃管型熔断器的特点是1次性使用、价格低廉，是目前过流保护元件中产销量最大的产品，广泛应用于各类家电及电子产品中。
4.1.2 固态熔断器
   固态熔断器采用厚膜印刷工艺，在陶瓷基片上印制特殊导电浆料，形成设定形状的导电带，两端连接端电极，再用聚合物包封制成，其结构如图1所示。美国AEM公司生产的FM12型高可靠固态熔断器可以视为这类产品的代表，它是美国航天总署（NASA）认证的唯一1种允许用于航天器中关键部位的高可靠熔断器；它的过电流保护特性不受周围环境真空度的影响，可承受强烈的冲击振动，熔断时由于聚合物包封而不会发生爆破和产生微颗粒污染，结构紧凑，体积小。

4.1.3 金属薄膜SMD型熔断器
   著名熔断器制造商Littelfuse开发了1种快速响应1005（0402）规格的片式熔断器，它是在环氧树脂基体上制作金属薄膜熔断丝，两端Sn/Pb端电极，如图2所示，其响应速度快，在3倍额定电流时，断开时间仅为0.2s。AVX公司用陶瓷基体制作金属薄膜SMD型熔断器，封装规格有1005（0402）/1608（0603）/2012（0805）/3216（1206）。其额定电流/电压可达3A/65V。此类SMD熔断器适用于医疗设备、精密仪器、高档电脑及军事装备等。

4.1.4 叠层型片式熔断器
   最近，美国AEM公司在网页上发布了1种叠层型片式熔断器。它是在陶瓷膜上印制熔断丝浆料，然后叠压在一起共烧，从而制成独石结构的片式熔断器。封装规格为1005（0402）/1608（0603）/2012（0805），其特点是能量密度高、精度高、可靠性高、响应速度快、易与其它叠层型片式元件集成。
4.1.5 聚合物自恢复熔断器
   它是由绝缘有机高分子聚合物与无机导电材料（如金属颗粒、炭黑、石墨等）复合而成。它具有PTC（正温度系数）特性，常温下的导电性良好。当电流超过额定值时，由于热效应，其电阻值急剧上升，将电流减小乃至断开，从而起到熔断器过流保护作用。这种自恢复熔断器的优点是不用更换、使用方便、可重复使用近万次、价格低廉、动态范围大及品种多。其缺点是在常态下电阻值比金属丝型高，这样就增加了能耗，而且引起热噪声，在某些电路中不适用；有时由于故障不能及时排除，会出现过流断开－正常状态－过流断开的反复循环，可能损害电路。尽管有这些缺点，但其自恢复的优点十分诱人。自美国Raychem公司发明了这种产品以来，其发展十分迅速；已有16个系列近200个品种，广泛应用于通信、电脑、汽车电子、家电、音像电子、医疗设备等。这种熔断器应进一步缩小体积，向SMD型元件的封装尺寸靠拢。
4.2 过电压保护元件
   在电路中，经常出现的过电压状况比较复杂，有瞬态峰值电压，有持续时间较长的浪涌电压，有静电放电等。因此，过压保护元件种类很多。本文仅涉及陶瓷类无源元件。
4.2.1 叠层型片式陶瓷压敏电阻器（MLV）
   半导体ZnO陶瓷压敏电阻器已有多年历史，应用范围广泛。特别是在中压和高压电器的保护和防雷电中，受到人们的青睐，但由于其压敏电压与两个电极之间的距离成比例，因而块状结构的ZnO压敏电阻器在体积和低电压方面均不能满足现代电子产品的要求。近年来，人们利用陶瓷叠层共烧技术，用掺杂ZnO半导体陶瓷材料制造出其结构与MLCC完全相同的叠层型片式ZnO压敏电阻器。其特点是压敏电压低，可低达2V左右；通流量大；响应速度快，达300ps；可靠性高；电容量的选择范围大，包括相当低的电容量以满足高速数据线的要求。其封装规格有1005（0402）/1608（0603）/2012（0805），这种产品适合于各种集成电路、MOSFET、I/O接口、功放等过电压保护，发展前景十分广阔。有人预测今后几年的年增长率可达30％。我国相对发展缓慢，深圳顺络公司已生产这种产品，性能良好，可为用户供货。
4.2.2 叠层型片式陶瓷穿心压敏电阻器（MLVF）
   如上所述，叠层型压敏电阻器可以保护电路，其等效电路如图3所示，显然其响应时间Tr和自谐振频率fSR与寄生电感LP的关系密切，LP越大，Tr越长，fSR越低。如果将叠层型压敏电阻器做成穿心式结构，如叠层型3端穿心电容器那样，如本文2.4节所述，其寄生电感LP将有70％“转移到”输入/输出信号线上，如图4所示。这样，不仅减少了LC串联回路中的电感，从而缩短了Tr，提高了fSR，而且组成1个T形LC低通滤波器，有助于抑制高频噪声，可谓一举两得。美国AVX公司最近首先推出这种TransFeed新产品，压敏电压为5.6V～18V、允许通过的电流为0.5A～1.0A，封装规格为2012（0805）。
4.2.3 内置有ESD保护功能的IC
   一些IC生产厂家，为了防止静电放电对IC的损坏，在制造过程中将过电压保护元件（如二极管）集成在一起，使IC自身具备防静电功能。
4.3 过热保护元件
   在许多情况下，过热会造成电路失效，甚至发生灾难；有时某些电路或元器件需要在一定的温度范围内才能正常工作。因此，过热保护和温控都是电子产品中经常遇到的问题，需要借助过热保护元件和温控元件来解决。这类元件门类很多，本文仅涉及片式陶瓷元件。
4.3.1 叠层型片式陶瓷正温度系数热敏电阻器（PTCR）
   近年来发展起来的叠层型片式PTCR相当于若干个热敏电阻的并联，从而减少其电阻，提高热响应速度，适用于现代SMT型电路，如大电流IC、半导体功率管等的热保护，效果非常良好，2000年，全球产销量达8亿只。
4.3.2 叠层型片式陶瓷负温度系数热敏电阻器（NTCR）
   块状NTCR难以同时保持高B值和低电阻，而且体积大。采用陶瓷叠层共烧技术制出的叠层型片式NTCR克服了这个缺点，如西门子的C1621型叠层型片式NTCR的电阻降到几十欧姆时，其B值仍能保持在3500以上。这种产品的特点是温控精度高，适用于某些要求在固定温度范围内才能正常工作的电子元器件，如大量使用的温补晶体振荡器，国外各大公司都有系列产品问世，国内的深圳顺络公司已开发成功，电阻为100Ω时B值保持在3150左右，为国内一流水平，并可正常供货。
5 结束语
   本文简要介绍了EMI对策电子元件和过电压、过电流、过热电路保护元件的一些新进展及其应用状况。可以看出，这是电子元件领域中的1个新的生长点，希望得到业界人士的关心和扶植，为我国的经济发展和加入WTO后与国际经济接轨做出贡献。
参考文献：[1]周济.电子元器件应用.2001,3(4～6).[2]张药西.电子世界.2001,3(5～9).
[3]张力.中国电子报.2002－3－8,2002－3－29.[4]陈福厚.中国电子学会第12届电子元件学术年会论文集.2002.[5]Murata、TDK、AEM、AVX、Littelfuse、Taiyo－Yuden等公司的网页[Z]. 原作者：王彦伶 北京七星华电科技集团飞行电子有限公司，北京100015