一種具有抑制浪涌電壓的新型EMI濾波

1、一種具有抑制浪涌電壓的新型EMI濾波眾所周知，高性能、小型化、復(fù)合化已成為當(dāng)今世界高科技產(chǎn)品迅速發(fā)展的必然趨勢。但高科技產(chǎn)品向高性能、小型化、復(fù)合化發(fā)展即高度集成化發(fā)展的另一個必然結(jié)果是導(dǎo)致抗電磁干擾能力的普遍下降。 一種具有抑制浪涌電壓的新型EMI濾波器的誕生和發(fā)展，可以大大提高高度集成化器件的抗電磁干擾能力。特別是抑制瞬變的浪涌電壓。 一、 什么是瞬變電壓     噪聲可分為連續(xù)噪聲和瞬變噪聲，歸一化后認(rèn)為任何發(fā)生持持續(xù)時間小于16.6ms的噪聲都被認(rèn)為是瞬變噪聲。連續(xù)噪聲一般是一個較低電壓的現(xiàn)象，采用適當(dāng)?shù)腅MI濾波器和屏蔽被認(rèn)為是最好的對策；而瞬

2、變噪聲不同它是一種短暫的過壓現(xiàn)象、是一種有害的尖峰電壓。正是這種瞬變噪聲使高度集成化的IC處于極度脆弱的境地，IC受到10倍于工作電壓的過壓沖擊其結(jié)果不是可能被破壞就是失去功能。     人們又將瞬變噪聲中持續(xù)時間8.4ms的瞬變噪聲定義為浪涌電壓。 瞬變噪聲又分為可重復(fù)瞬變和隨機(jī)瞬變。 1、  可重復(fù)瞬變     在帶電情況下任何電路的突然變化都會引起瞬變電壓的產(chǎn)生，不妨舉一個例子說明，圖1是一個電感儲能放電的例子。      當(dāng)電路開關(guān)導(dǎo)通時，通過電感中的電流d

3、i/dt會產(chǎn)生-Ldi/dt電壓，在電感中的儲能為1/2Li2，若電感的固有電容為C，則C的儲能也等于1/2CV2，而且： 1/2Li2=1/2CV2     當(dāng)開關(guān)突然關(guān)斷時，電感洩放出來的儲能會產(chǎn)生瞬變電壓，它的峰值可求得為：  試代入某些數(shù)值，若令：I=1A、L=1mH、C=250pF     則可求得：  圖1左上圖曲線的前邊表示開關(guān)導(dǎo)通時的穩(wěn)態(tài)波形，最后的尖峰表示開關(guān)突然關(guān)斷時產(chǎn)生的瞬變電壓。     可重復(fù)噪聲的另一類型是電快速瞬變脈沖（EFT），它是由于電路內(nèi)某

4、處連續(xù)打火引起的。由此可見開關(guān)操作是產(chǎn)生瞬變電壓的一種原因。 1)可重復(fù)瞬變的波形：大都呈指數(shù)衰減振蕩,在低電壓交流系統(tǒng)它是通用的典型浪涌電壓 2)可重復(fù)瞬變的NEMP波形：NEMP 核電磁脈沖波形為100KHz衰減振蕩, 波形上升到峰值時間為0.5s,它的每一個峰值的幅值是前一個峰值幅值的60%。 2、  隨機(jī)瞬變     隨機(jī)瞬變是無法預(yù)計的，很難給其幅度、持續(xù)時間、能量下個定義。例如隨機(jī)瞬變有： ESD     靜電放電 LEMP   &#

5、160;雷電（電磁脈沖）等等     隨機(jī)瞬變的判斷是依據(jù)可獲得的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，也不妨舉一個例子說明，圖2是美國民用電子設(shè)備的雷擊年頻數(shù)統(tǒng)計曲線，他們分為低暴露、中等暴露、高暴露三條曲線，而暴露類別基本上以地理位置為基礎(chǔ)的。     在此曲線基礎(chǔ)上，設(shè)計防護(hù)措施時其加權(quán)系數(shù)是與概率以及出現(xiàn)的后果即重要性有關(guān)。     隨機(jī)瞬變的波形     隨機(jī)瞬變的波形通常假定為單向脈沖 1)靜電放電（ESD）波形     典型的ESD浪涌波形類似圖4，E

6、SD是個非?？斓拿}沖，它的上升時間1ns。 2)雷擊浪涌波形     典型的雷擊浪涌波形類似圖5，其電壓浪涌波形采用1.2/50s,電流浪涌波形采用8/20s,與ESD比較是非常慢的脈沖。  二、瞬變電壓的危害     上述各類電磁干擾對電氣、電子設(shè)備（系統(tǒng)），特別是對含有半導(dǎo)體器件的設(shè)備（系統(tǒng)）產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞作用。     半導(dǎo)體器件一般損傷閾值為10-510-2 J/cm2，易損器件則降為0.11J/cm2，若不損壞器件，只引起瞬時失效或干擾，其損傷閾值還要低23個數(shù)量級

7、。 1、損壞效應(yīng)歸納起來主要有： 1)高壓擊穿：當(dāng)器件接收電磁能量后可轉(zhuǎn)化成大電流，在高阻處也可轉(zhuǎn)化為高電壓，結(jié)果可引起接點、部件或回路間的電擊穿，導(dǎo)致器件的損壞或瞬時失效。例如脈寬0.1ms電流幅值為1A的電流脈沖，可在接點間電容為1pF處的接點產(chǎn)生100kV電壓，該接點被擊穿后還會產(chǎn)生數(shù)百kHz的衰減正弦振蕩，并輻射出電磁波。  2)器件燒毀或受瞬變干擾：除高壓擊穿外，器件因瞬變電壓造成短路損壞的原因一般都?xì)w結(jié)于功率過大而燒毀或PN結(jié)的電壓過高而擊穿，無論是集成電路（I.C）、存儲器還是晶體管、二極管、可控硅等都是一樣的。大多數(shù)半導(dǎo)體器件的最低損壞的有效功率為1ms、10W或10

8、mJ，一些敏感器件為1ms、1W或1mJ。 3）受浪涌沖擊：對有金屬屏蔽的電子設(shè)備，殼體外的微波能量不能直接輻射到設(shè)備內(nèi)部，但是在金屬屏蔽殼體上感應(yīng)的脈沖大電流，像浪涌一樣在殼體上流動，殼體上的縫隙、孔洞、外露引線一旦將一部分浪涌電流引入殼內(nèi)設(shè)備，就足以使內(nèi)部的敏感器件損壞。 2、損壞或受瞬變干擾的過程歸納起來主要有： 1） 所有CMOS器件都用氧化膜絕緣或用它保護(hù)集成電路中的不同元件，但氧化膜的厚度只有幾微米，一旦電壓超過氧化膜的絕緣強度便會將它擊穿，造成短路。 2） 當(dāng)電流通過PNP結(jié)構(gòu)時，由于電流的不均勻往往會燒毀鍍敷的金屬導(dǎo)體造成開路。 3）出現(xiàn)瞬變電壓的能量尚不足

9、以立即造成損壞，但會使性能下降，產(chǎn)生影響功能，丟失數(shù)據(jù)，產(chǎn)生誤動作，使半導(dǎo)體進(jìn)入不能自動復(fù)原的導(dǎo)通狀態(tài)（俗稱死機(jī)）；而切斷電源重新開機(jī)后又恢復(fù)正常的現(xiàn)象。 4）器件存在潛伏性的損毀過程，即器件反復(fù)經(jīng)受瞬變電壓的沖擊，每次都使性能降低一些，積累起來總有一天會使產(chǎn)品出現(xiàn)災(zāi)難性的損壞。舉整流二極管為例，在經(jīng)受很高的瞬變電壓之后，二極管的反向漏電流會增加，每次經(jīng)受沖擊，反向漏電流會增加一些，表面看來設(shè)備仍能工作，性能沒有明顯變化，但發(fā)熱增大，到最后終于有一天會由于偶然的一個瞬變電壓導(dǎo)致二極管燒毀。這種潛伏性損毀在半導(dǎo)體中是屢見不鮮的，半導(dǎo)體在制造時產(chǎn)生的缺陷也會造成潛伏性損毀。 對于無源器件

10、，瞬變電壓也同樣會造成無源元件的燒毀或性能降低，如降低耐壓和額定工作電壓以及降低其他電氣性能。 3.瞬變電壓、電流和時域的特性可歸納為表1：     表1 電磁干擾電壓、電流和時域的特性     瞬變的來源電壓電流上升時間延續(xù)時間     雷電       a            b500kV/m 6kV/m200k

11、A 3kA1.5ms 8ms20ms 核爆炸產(chǎn)生 a 的電磁脈沖 b100kV/m 1kV10kA 10A10ns 20ns150ns 1ms 靜電放電   a            b40kV 15kV80A 10a15ns 10ns100ns 100ns 開關(guān)動作   a            

12、b2500V 600V200A 500A10ms 50ms40ms 10ms  注：a是直接造成的最壞瞬變狀態(tài)，b是間接的瞬變狀態(tài) 三、什么是壓敏電阻濾波器Varistor Filters     瞬變噪聲不同于連續(xù)噪聲它是一種短暫的過壓現(xiàn)象、因此盡管認(rèn)為采用適當(dāng)?shù)腅MI濾波器和屏蔽是抑制連續(xù)噪聲的最好對策，但對瞬變噪聲就未必有效。正是這種瞬變噪聲使高度集成化的IC處于極度脆弱的境地，IC受到10倍于工作電壓的過壓沖擊其結(jié)果不是可能被破壞就是失去功能。由于瞬變電壓給電子產(chǎn)品造成的危害，用戶期望獲得一種元器件它是一個具有相同電容值的壓敏電阻，用它

13、去全部或部分替代EMI濾波器的電容元件以增大對瞬變電壓的保護(hù)能力，使用這種元器件的濾波器就是壓敏電阻濾波器。由于所制造的壓敏電阻的ESL極小，所以壓敏電阻有時是一個瞬息抑制二極管（Transient Voltage SuppressorsTVS管）或類的壓敏電阻。換句話說這里所指的壓敏電阻是一個多功能元器件、而實際上壓敏電阻濾波器所顯示的性能和一個X7R陶瓷電容濾波器是無法區(qū)別的，所有的頻率阻抗和所有的DC工作電壓都是相同的。     可以這么說、多層壓敏芯片反映了目前所有小型電容技術(shù)的發(fā)展成果（包括成本、尺寸、性能、可靠性和使用方便

14、等）。     目前市場可以購到的壓敏芯片的規(guī)格范圍從06032220、工作電壓從3.3V120V(約)DC、抑制浪涌電流的等級至500A、能量等級至2.5J和電容值低至65pF高至6000pF。 現(xiàn)有的產(chǎn)品品種有，饋通芯片、平衡線芯片、圓盤形電容器和平面陣列芯片等，這些芯片充分體現(xiàn)了采用尖端技術(shù)的濾波器組合。 四、壓敏電阻濾波器的結(jié)構(gòu)和工作原理 1、壓敏電阻濾波器的結(jié)構(gòu)     壓敏電阻采用陶瓷材料其主要成分是氧化鋅（內(nèi)添加少量氧化物如鉍、鈷、錳等），在制造時，原先的陶瓷粉末被混合和成形，然后進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度10001400；當(dāng)燒

15、結(jié)時金屬氧化添加物會移動到晶格的邊界，在那兒他們形成半導(dǎo)體層即P-N結(jié)。燒結(jié)后的金屬化是為了提供一個電的連接如果需要可由此引出導(dǎo)線。圖6顯示燒結(jié)中的內(nèi)部多層晶格結(jié)構(gòu)。所以壓敏電阻又稱為Metal Oxide VaristorMOV。     單層壓敏電阻Single Layer Varistor(SLV)的結(jié)構(gòu)、見圖7和多層壓敏電阻（MLV）的結(jié)構(gòu)不同，見圖8、圖9、圖10?，F(xiàn)今表面貼裝（SM）的多層壓敏電阻占優(yōu)勢，因為他們特別適用于抑制EMI的場合，其外形尺寸與貼片電容、電阻的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一致。 2、壓敏電阻濾波器的工作原理

16、    壓敏電阻是一個可變電阻器，在低于門限電壓工作時，壓敏電阻可作為一個常規(guī)的高阻它遵循歐姆定理；在門限電壓之上壓敏電阻變?yōu)檫导悼V宄氏值妥榪固匭浴飧雒畔薜繆咕褪求槲壞繆埂?當(dāng)壓敏電阻變?yōu)楦邔?dǎo)電體時，它的箝位電壓就是允許的最高工作電壓即系統(tǒng)能經(jīng)受的保護(hù)電壓。具有以上特性的壓敏電阻可以應(yīng)用于保護(hù)在瞬時的或瞬變過電壓下工作的電路，這時壓敏電阻一般并聯(lián)安裝在被保護(hù)電路的信號線和地線之間，如圖11所示。     在低于箝位電壓時，壓敏電阻的特性類似一個陶瓷電容器起到電容濾波器的作用。 3、壓敏電阻濾波器的伏安特性   &#

17、160; 由于壓敏電阻晶體的不定向性所以是個雙極性器件，具有對稱陡峭的電壓擊穿特性，所顯示的電特性類似背對背地齊納二極管，見圖12。     圖13是用對數(shù)座標(biāo)顯示壓敏電阻的伏安特性，伏安特性分為三個工作區(qū)，左區(qū)為泄漏電流區(qū)這時壓敏電阻呈高阻狀態(tài)（斜率）R=109、中區(qū)為壓敏電阻正常工作區(qū)、右區(qū)為向上翻轉(zhuǎn)區(qū)壓敏電阻呈妥枳刺甭剩=110；圖14也是用對數(shù)座標(biāo)顯示壓敏電阻的伏安特性，它表示某一型號壓敏電阻的伏安特性曲線，曲線從左到右的三個標(biāo)示為最大DC電壓、額定工作電壓和箝位電壓，有了這些數(shù)據(jù)就可以選擇適用的壓敏電阻。     圖15表示

18、壓敏電阻在向上翻轉(zhuǎn)區(qū)的低阻狀態(tài)，它將包含瞬變脈沖在內(nèi)的損耗能量變?yōu)闊崃?，圖中顯示將瞬變脈沖箝位在箝位電壓上的過程。圖16表示壓敏電阻在泄漏電流區(qū)，某些壓敏電阻的溫度依從關(guān)系即電壓的溫度系數(shù)（/）與電流的關(guān)系曲線；但在正常工作區(qū)不存在這種溫度依從關(guān)系、其中對于125時的箝位電壓也和25時的一樣。     圖17是關(guān)于箝位電壓測量波形的描述，工業(yè)推薦箝位電壓的測量波形是8/20ms其中8ms是峰值電流從10上升至90的時間、20ms是峰值電流從起始衰減至50的時間，注意額定工作電壓和箝位電壓存在數(shù)學(xué)關(guān)系一個參數(shù)的變化將導(dǎo)至另一個參數(shù)的類似變化。   

19、;  圖18表示箝位電壓的測量方法，規(guī)定所有的測量都在直流1MA、8/20mS脈沖電流的條件下測量。 4.壓敏電阻濾波器抑制峰值電流、峰值能量的能力 1）峰值電流的性能：所謂最大不重復(fù)浪涌電流（ITM）是指最大峰值電流，它被用于表達(dá)壓敏電阻在8/20mS脈沖電流條件下不會引起器件損壞的能力。在此情況、器件的損壞往往決定初始額定工作電壓的10波動。     通常在較小過電壓時（額定工作電壓和箝位電壓也減?。好綦娮璞３止δ?、繼續(xù)提供電路的保護(hù)功能；在嚴(yán)重過電壓時將造成壓敏電阻災(zāi)難性的損壞、通常損壞的方式是短路但接踵而來的器件過熱會發(fā)生爆炸如同引入高能量一樣

20、、最終壓敏電阻導(dǎo)致開路狀態(tài)。 2) 抑制峰值能量的最大能力：所謂最大不重復(fù)浪涌能量（WTM）是指最大峰值能量即壓敏電阻不會引起器件損壞所具有的吸收脈沖能量的最大能力，規(guī)范中所用的脈沖測量波形包括10/1000mS、10/700mS脈沖電壓波形和2ms的脈沖電流波形。     壓敏電阻額定能量用J焦耳（瓦秒）表示，壓敏電阻從一個脈沖中所吸收的能量可按下式計算:能量（E）=箝位電壓（VC）×平均電流（IMEAN）×脈沖寬度（） 或用積分表示：  式中： 是峰值電流、K是波形常數(shù)   

21、60; 舉例說明：已知類似圖17指數(shù)形脈沖電流為8/20mS波形，在箝位電壓1000V時的峰值電流為100A，求最大峰值能量：查得脈沖上升部分的波形常數(shù)K=0.5；指數(shù)形脈沖下降部分的波形常數(shù)K=1.4。 總能量： 5.承受脈沖次數(shù)的能力     壓敏電阻能夠承受脈沖沖擊的次數(shù)是有限的，當(dāng)然承受脈沖沖擊的次數(shù)是和脈沖的能量密切有關(guān)。多數(shù)單層壓敏電阻（SLV）的制造商往往給出同一型號壓敏電阻的脈沖沖擊次數(shù)曲線，曲線顯示在同一脈沖寬度條件下，最大浪涌電流越大耐脈沖沖擊的次數(shù)越??；最大浪涌電流越小耐脈沖沖擊的次數(shù)越大。換句話說壓敏電阻的脈沖沖擊次數(shù)曲線給用戶提

22、供了預(yù)估壓敏電阻使用壽命（期限）的能力，制造商往往保證用戶在規(guī)定的脈沖沖擊次數(shù)內(nèi)壓敏電阻能經(jīng)受脈沖的沖擊。圖19給出低電壓壓敏電阻的脈沖沖擊次數(shù)曲線。圖20單獨分離出8/20mS波形的耐脈沖沖擊次數(shù)曲線。 五、壓敏電阻濾波器的應(yīng)用 1、三端貫通壓敏電阻濾波器      從圖21三端貫通壓敏電阻濾波器的等效電路看到，壓敏電阻設(shè)置在三端貫通濾波器的接地端。正常工作時，在允許有用信號通過三端貫通濾波器的同時，將噪聲旁路到地，這時壓敏電阻等效一個X7R電容器；當(dāng)高于壓敏電阻箝位電壓的浪涌電壓到來時，壓敏電阻立即呈現(xiàn)低阻抗將浪涌電壓旁路到地。不

23、論那種情況都要求接地支路的等效串聯(lián)電感ESL盡量地小，有效減小ESL的辦法是利用濾波器電極結(jié)構(gòu)的自感特性來實現(xiàn)。     在常規(guī)MLV芯片，電流從第一個電極流入跨過介質(zhì)經(jīng)第二電極流出，所以兩個電極電流所產(chǎn)生的磁力線具有相同的方向，見圖22。     但三端貫通濾波器不同所對應(yīng)電極的電流差900與常規(guī)MLV芯片相比，由于減小了電極之間的互感所以ESL極低，典型三端貫通壓敏電阻濾波器的ESL為200500pH。見圖23。 2、平衡線壓敏電阻濾波器     平衡線壓敏電阻濾波器又稱X2Y壓敏電阻濾波器，見圖24

24、。     平衡線壓敏電阻濾波器雖然也是三端芯片但其獨特的結(jié)構(gòu)（詳見X2Y專題報告）使差模支路電流的方向差1800、共模支路電流的方向差900，見圖25。所以差模支路的ESL低于50pH是常規(guī)MLV芯片的4因此具有超高頻性能。其電極間設(shè)置方式是線間及線地間共設(shè)置了三只壓敏電容器，見圖24。因此能有效地消除共模和差模噪聲，電路中CV1電容是CV2的50以及CV2等于CV3。CV2和CV3的壓敏電壓是相等的，而CV1的壓敏電壓是CV2和CV3的一倍。     可購到的平衡線壓敏電阻濾波器規(guī)格為0805和1206它所具有的電壓和電容值和那些常規(guī)ML