EMI對策元件和電路保護(hù)元件的發(fā)展與應(yīng)用N

1前言

隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展，特別是在我國加入WTO后與世界經(jīng)濟(jì)接軌的宏觀環(huán)境下，人們對各類電子產(chǎn)品的電磁兼容性與可靠性、安全性提出了更高的要求。這就極大地促進(jìn)了EMI對策電子元件與電路保護(hù)電子元件的飛速發(fā)展，成為電子元件領(lǐng)域中的1個熱點(diǎn)，引起人們的極大關(guān)注。這類電子元件品種繁多[1][2][3]，雖然近兩年沒有出現(xiàn)什么特別令人注目的新發(fā)明、新品種，但是這類電子元件型號規(guī)格的增多、參數(shù)范圍的擴(kuò)大以及抑制電磁干擾能力和保護(hù)電路能力的提升都非常顯著。特別是在這類電子元件的應(yīng)用方面，應(yīng)用范圍的迅速擴(kuò)大與需求量的急劇上升，都是十分驚人的。本文著重介紹其應(yīng)用情況及市場前景。

2EMI對策元件的新進(jìn)展[4][5]

2.1微小型化

迫于電子產(chǎn)品向更小、更輕、更靈巧的方向發(fā)展，EMI對策元件繼續(xù)向微小型化發(fā)展，如片式磁珠和片式電容器的主流封裝尺寸已經(jīng)逐步從1608（0603）過渡到1005（0402）；又如日本村田新發(fā)布的3繞組共模扼流圈的尺寸僅為2.5mm×2.0mm×1.2mm；在3.2mm×1.6mm×1.15mm的尺寸內(nèi)封裝了兩個共模扼流圈陣列。

2.2高頻化

目前，電子產(chǎn)品向高頻化發(fā)展的趨勢十分明顯，如計(jì)算機(jī)的時鐘頻率提高到幾百兆赫乃至千兆赫；數(shù)字無線傳輸?shù)念l率也達(dá)到2GHz以上；無繩電話的頻率從45MHz提高到2400MHz等，因而由高次諧波引起的噪聲也相應(yīng)出現(xiàn)在更高的頻率范圍，EMI對策元件也隨著向高頻化發(fā)展，例如，疊層型片式磁珠的抑制頻率提高到GHz范圍。國內(nèi)南虹、順絡(luò)、麥捷以及國外的Murata、TDK、Taiyo－yuden、AEM、Vishay等公司都已推出性能優(yōu)良的GHz片式磁珠，其抑制噪聲頻率在600MHz～3GHz，滿足了高速數(shù)字電路的要求；村田的3端片式穿心陶瓷電容器的抑制頻率范圍為3MHz～2000MHz；TDK開發(fā)的1005（0402）片式電感器的使用頻率達(dá)到12GHz。

2.3復(fù)合化和多功能化

在電子產(chǎn)品中經(jīng)常有排線部位，如I/O排線。為了使用方便，節(jié)省PCB面積，加快表面貼裝速度，一些片式EMI對策元件已經(jīng)陣列化。在1個封裝內(nèi)通常含有2、4、6、8個EMI對策元件。此外，將不同功能的EMI對策元件組合在1個封裝內(nèi)，達(dá)到多功能的目的。如將噪聲抑制功能與靜電放電保護(hù)功能組合在一起；將電容器與電感器或電阻器組合在一起；將共模噪聲抑制與差模噪聲抑制組合在一起等，都體現(xiàn)了向多功能化發(fā)展的趨勢。

2.4新材料和新元件

眾所周知，尖晶石型軟磁鐵氧體和BaTiO3基陶瓷材料在EMI對策中占有十分重要的位置。近年來，又開發(fā)出一些新型材料，可用于抗電磁干擾，如6角晶系鐵氧體材料、金屬磁粉材料、非晶及超細(xì)晶金屬磁性材料、高分子磁性材料、高分子介質(zhì)材料、復(fù)合介質(zhì)材料及納米材料等。這些新型材料將在電磁兼容領(lǐng)域嶄露頭角，值得人們密切關(guān)注。EMI對策元件也有很多進(jìn)展，如Murata公司，在3端片式電容器（疊層型片式穿心電容器）的基礎(chǔ)上，又開發(fā)出含有電阻器的3端片式電容器NFR系列、含有電感器的3端片式電容器NFW系列、含有兩個磁珠的3端片式電容器NFL系列，以及Ni電極、大電流（6A）、大容量（1?F）系列等；鐵氧體薄膜共模扼流圈的封裝尺寸為3.2mm×1.5mm×1.15mm，在100MHz時，其共模阻抗可達(dá)550?，而其差模阻抗不超過10?，特別適用于高速數(shù)字信號線；疊層型片式3繞組共模扼流圈的尺寸僅為2.5mm×2.0mm×1.2mm，它可以非常有效地在音頻信號線上抑制來自高速數(shù)字電路的高頻噪聲而不會造成聲音的畸變和串音，在最新款式的袖珍音影電子產(chǎn)品（如MP3）中，十分受歡迎；薄膜扼流圈陣列的尺寸為3.2mm×1.6mm×1.15mm，內(nèi)部封裝了2個共模扼流圈；TDK將一個共模扼流圈和一個差模扼流圈封裝在一起，尺寸僅為3.2mm×2.5mm×2.3mm；英國的Syfer公司將2個Y電容器和1個X電容器集成在一起，構(gòu)成1個疊層型片式X2Y電容器組件，同時抑制共模和差模噪聲，其封裝規(guī)格為2012（0805）和3216（1206），用于DC電源濾波器。美國的AVX公司深入研究了疊層型片式穿心濾波電容器（FeedthroughFilterCapacitor），經(jīng)過精心設(shè)計(jì)內(nèi)部電路，將70％的寄生支路電感轉(zhuǎn)移成輸入/輸出線上的串聯(lián)電感，起到1個T形低通濾波器的作用，從而顯著提高自諧振頻率，加寬對噪聲抑制的頻寬和強(qiáng)度。該公司還開發(fā)了一種新材料，用疊層技術(shù)解決了R-C組合問題，避開了陶瓷膜－銀電極－釕系電阻膜共燒的復(fù)雜工藝，開發(fā)出一系列稱之為Z產(chǎn)品的組件，如R-C組件、R-C-R低通濾波器及其陣列等。

3EMI對策元件的應(yīng)用

如前所述，對各類電子產(chǎn)品的電磁兼容性能要求越來越嚴(yán)格，迫使各類電子產(chǎn)品中必須安裝大量的不同性能、不同規(guī)格的EMI對策元件，從而為EMI對策元件產(chǎn)業(yè)開拓了廣闊的市場空間。為了說明這種趨勢，下面列舉14種常用電子產(chǎn)品中EMI對策元件的使用狀況，供大家參考。

3.1家用電器

電冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)、微波爐、熱水器等家電都是電磁干擾源。它們在開關(guān)/啟動或出現(xiàn)故障時，都會產(chǎn)生瞬間電壓尖峰和浪涌電流以及高頻電磁干擾，并將這些電磁干擾輸入電網(wǎng)或輻射到周圍空間。這都有可能超出電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)所允許的范圍，導(dǎo)致這樣的家電不能進(jìn)入市場。為了避免出現(xiàn)這些問題，應(yīng)在家用電器的電源輸入端安裝相應(yīng)規(guī)格的電源濾波器，甚至在插頭、插座、接線板上都應(yīng)安裝低頻EMI濾波器，可見需求量很大。

3.2直流/交流電源

各種電源無處不在，需求量很大，有人估計(jì)到2005年僅通信電源的市場規(guī)模就能達(dá)到近百億元。電源的發(fā)展方向之一就是滿足電磁兼容要求。在直流電源中，一般都插入1個共模扼流圈，抑制共模噪聲；在輸出線上串入鐵氧休磁珠和3端電容器，抑制差模噪聲。目前通信用直流電源的主流輸出電壓為3.3V，正向1.8V過渡，該直流低電壓是由降壓開關(guān)電源輸出的，直流電壓越低，噪聲的影響越大。在交流電源中，一般采用由共模扼流圈和X2Y電容器組成的低通濾波器，扼流圈和兩個Y電容器抑制共模噪聲，X電容器抑制差模噪聲，必要時可以再加入一個X電容器和兩個磁珠。

3.3筆記本電腦

筆記本電腦的形狀扁平、體積小，相對而言，電子件的組裝密度較高，為了減輕重量，一般不用純金屬外殼，所以筆記本電腦的電磁干擾問題較突出，其殼體、連接纜線，以及LCD顯示屏與主板的連接排線等都會向外輻射電磁干擾。為了達(dá)到電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，除改進(jìn)外殼和連線的電磁屏蔽性能外，更關(guān)鍵的是必須采用一些高質(zhì)量的EMI對策元件。例如：在DC電源線上串入鐵氧體磁珠或扼流圈，并加入1個3端電容器（應(yīng)接地良好）；在CPU高速數(shù)據(jù)總線上串入高頻磁珠、片式3端電容器；圖像控制器與LCD驅(qū)動器之間由多條高速數(shù)據(jù)排線相連接，必須安裝共模扼流圈、LC濾波器、高頻磁珠、3端電容器等EMI對策元件，或者這些元件組成的陣列；在各個USB接口以及光驅(qū)/軟驅(qū)接口，都必須安裝相應(yīng)的EMI對策元件。

3.4臺式電腦

臺式電腦的內(nèi)部和外部有許多電磁干擾源，都必須加以抑制。所用的開關(guān)電源往往產(chǎn)生開關(guān)頻率高次諧波噪聲，必須在輸出端安裝EMI濾波器、鐵氧體磁珠和3端電容器；在數(shù)據(jù)總線串入片式GHz磁珠和片式3端電阻器－穿心電容器；在時鐘線要插入信號線LC濾波器或片式磁珠；在視頻信號線上應(yīng)串入適合于高速數(shù)字信號的LC濾波器；與外設(shè)的接口處都應(yīng)安裝相應(yīng)的EMI對策元件；此外，交流電源線引入的噪聲、PCB總噪聲、接地噪聲、顯示器噪聲、與外設(shè)相連的USB噪聲等都必須予以抑制。

3.5傳真機(jī)

傳真機(jī)主要由開關(guān)電源、控制主機(jī)板、傳感器、馬達(dá)、電話、錄音裝置等組成，一般沒有電磁屏蔽殼體，為了達(dá)到EMC標(biāo)準(zhǔn)，需要在各部位安裝相應(yīng)的EMI對策元件。例如，在輸入交流電源處應(yīng)有電源濾波器，使主機(jī)與電網(wǎng)隔離；在其DC電源應(yīng)接入磁珠和3端電容器；在時鐘線和數(shù)據(jù)總線上應(yīng)安裝高速信號線LC濾波器或高頻磁珠/3端電容器；在傳感器端口安裝高頻磁珠和3端電容器；在CPU振蕩器輸出口應(yīng)串入高頻磁珠；在通信線路和聽筒連線上接入對音頻信號沒有影響的共模扼流圈；在馬達(dá)信號線上串入鐵氧體磁珠，在記錄頭處還應(yīng)加入防浪涌電流的電路保護(hù)元件。

3.6打印機(jī)

打印機(jī)工作時主機(jī)板和打印驅(qū)動系統(tǒng)都會產(chǎn)生電磁干擾，并經(jīng)過與PC的連接電纜和打印機(jī)的電源線向外傳導(dǎo)和輻射。因此，在交流電源處應(yīng)安裝電源濾波器；在IC的直流電源輸出線上串入磁珠，抑制高頻噪聲；在數(shù)據(jù)線上加入高頻磁珠和3端電容器；在CPU振蕩器輸出口串聯(lián)GHz磁珠；在時鐘線上加入LC信號線濾波器或片式3端穿心電容器及高頻鐵氧體磁珠；在馬達(dá)控制線上也要串聯(lián)鐵氧體磁珠和穿心電容器，并使之接地條件良好。此外，有時打印紙的移動摩擦?xí)a(chǎn)生靜電，也應(yīng)予以注意。

3.7移動通信手持機(jī)

GSM與CDMA兩種制式的手持機(jī)有很大差異，但是為了達(dá)到抗電磁干擾而采用一些EMI對策元件的做法基本是一致的。例如，在射頻和中頻部份，為了使帶通濾波器的阻抗匹配，需要高頻片式電感器；在RF和IF放大器輸出端加入扼流圈或磁珠，以抑制高次諧波；為了抑制時鐘信號噪聲，需要串入高頻磁珠；在所有高速數(shù)據(jù)線上，都要采用EMI對策元件來抑制數(shù)字電路所產(chǎn)生的噪聲；在音頻線路中需要安裝只能抑制高頻噪聲而不會造成音頻信號畸變和串音的共模扼流圈，如日本村田的最新產(chǎn)品DLM2HG型片式3繞組共模扼流圈；在電池部份應(yīng)加