一种具有抑制浪涌电压的新型EMI滤波

1、一种具有抑制浪涌电压的新型EMI滤波众所周知，高性能、小型化、复合化已成为当今世界高科技产品迅速发展的必然趋势。但高科技产品向高性能、小型化、复合化发展即高度集成化发展的另一个必然结果是导致抗电磁干扰能力的普遍下降。 一种具有抑制浪涌电压的新型EMI滤波器的诞生和发展，可以大大提高高度集成化器件的抗电磁干扰能力。特别是抑制瞬变的浪涌电压。 一、 什么是瞬变电压     噪声可分为连续噪声和瞬变噪声，归一化后认为任何发生持持续时间小于16.6ms的噪声都被认为是瞬变噪声。连续噪声一般是一个较低电压的现象，采用适当的EMI滤波器和屏蔽被认为是最好的对策；而瞬

2、变噪声不同它是一种短暂的过压现象、是一种有害的尖峰电压。正是这种瞬变噪声使高度集成化的IC处于极度脆弱的境地，IC受到10倍于工作电压的过压冲击其结果不是可能被破坏就是失去功能。     人们又将瞬变噪声中持续时间8.4ms的瞬变噪声定义为浪涌电压。 瞬变噪声又分为可重复瞬变和随机瞬变。 1、  可重复瞬变     在带电情况下任何电路的突然变化都会引起瞬变电压的产生，不妨举一个例子说明，图1是一个电感储能放电的例子。      当电路开关导通时，通过电感中的电流d

3、i/dt会产生-Ldi/dt电压，在电感中的储能为1/2Li2，若电感的固有电容为C，则C的储能也等于1/2CV2，而且： 1/2Li2=1/2CV2     当开关突然关断时，电感洩放出来的储能会产生瞬变电压，它的峰值可求得为：  试代入某些数值，若令：I=1A、L=1mH、C=250pF     则可求得：  图1左上图曲线的前边表示开关导通时的稳态波形，最后的尖峰表示开关突然关断时产生的瞬变电压。     可重复噪声的另一类型是电快速瞬变脉冲（EFT），它是由于电路内某

4、处连续打火引起的。由此可见开关操作是产生瞬变电压的一种原因。 1)可重复瞬变的波形：大都呈指数衰减振荡,在低电压交流系统它是通用的典型浪涌电压 2)可重复瞬变的NEMP波形：NEMP 核电磁脉冲波形为100KHz衰减振荡, 波形上升到峰值时间为0.5s,它的每一个峰值的幅值是前一个峰值幅值的60%。 2、  随机瞬变     随机瞬变是无法预计的，很难给其幅度、持续时间、能量下个定义。例如随机瞬变有： ESD     静电放电 LEMP   &#

5、160;雷电（电磁脉冲）等等     随机瞬变的判断是依据可获得的统计数据为基础的，也不妨举一个例子说明，图2是美国民用电子设备的雷击年频数统计曲线，他们分为低暴露、中等暴露、高暴露三条曲线，而暴露类别基本上以地理位置为基础的。     在此曲线基础上，设计防护措施时其加权系数是与概率以及出现的后果即重要性有关。     随机瞬变的波形     随机瞬变的波形通常假定为单向脉冲 1)静电放电（ESD）波形     典型的ESD浪涌波形类似图4，E

6、SD是个非常快的脉冲，它的上升时间1ns。 2)雷击浪涌波形     典型的雷击浪涌波形类似图5，其电压浪涌波形采用1.2/50s,电流浪涌波形采用8/20s,与ESD比较是非常慢的脉冲。  二、瞬变电压的危害     上述各类电磁干扰对电气、电子设备（系统），特别是对含有半导体器件的设备（系统）产生严重的破坏作用。     半导体器件一般损伤阈值为10-510-2 J/cm2，易损器件则降为0.11J/cm2，若不损坏器件，只引起瞬时失效或干扰，其损伤阈值还要低23个数量级

7、。 1、损坏效应归纳起来主要有： 1)高压击穿：当器件接收电磁能量后可转化成大电流，在高阻处也可转化为高电压，结果可引起接点、部件或回路间的电击穿，导致器件的损坏或瞬时失效。例如脉宽0.1ms电流幅值为1A的电流脉冲，可在接点间电容为1pF处的接点产生100kV电压，该接点被击穿后还会产生数百kHz的衰减正弦振荡，并辐射出电磁波。  2)器件烧毁或受瞬变干扰：除高压击穿外，器件因瞬变电压造成短路损坏的原因一般都归结于功率过大而烧毁或PN结的电压过高而击穿，无论是集成电路（I.C）、存储器还是晶体管、二极管、可控硅等都是一样的。大多数半导体器件的最低损坏的有效功率为1ms、10W或10

8、mJ，一些敏感器件为1ms、1W或1mJ。 3）受浪涌冲击：对有金属屏蔽的电子设备，壳体外的微波能量不能直接辐射到设备内部，但是在金属屏蔽壳体上感应的脉冲大电流，像浪涌一样在壳体上流动，壳体上的缝隙、孔洞、外露引线一旦将一部分浪涌电流引入壳内设备，就足以使内部的敏感器件损坏。 2、损坏或受瞬变干扰的过程归纳起来主要有： 1） 所有CMOS器件都用氧化膜绝缘或用它保护集成电路中的不同元件，但氧化膜的厚度只有几微米，一旦电压超过氧化膜的绝缘强度便会将它击穿，造成短路。 2） 当电流通过PNP结构时，由于电流的不均匀往往会烧毁镀敷的金属导体造成开路。 3）出现瞬变电压的能量尚不足

9、以立即造成损坏，但会使性能下降，产生影响功能，丢失数据，产生误动作，使半导体进入不能自动复原的导通状态（俗称死机）；而切断电源重新开机后又恢复正常的现象。 4）器件存在潜伏性的损毁过程，即器件反复经受瞬变电压的冲击，每次都使性能降低一些，积累起来总有一天会使产品出现灾难性的损坏。举整流二极管为例，在经受很高的瞬变电压之后，二极管的反向漏电流会增加，每次经受冲击，反向漏电流会增加一些，表面看来设备仍能工作，性能没有明显变化，但发热增大，到最后终于有一天会由于偶然的一个瞬变电压导致二极管烧毁。这种潜伏性损毁在半导体中是屡见不鲜的，半导体在制造时产生的缺陷也会造成潜伏性损毁。 对于无源器件

10、，瞬变电压也同样会造成无源元件的烧毁或性能降低，如降低耐压和额定工作电压以及降低其他电气性能。 3.瞬变电压、电流和时域的特性可归纳为表1：     表1 电磁干扰电压、电流和时域的特性     瞬变的来源电压电流上升时间延续时间     雷电       a            b500kV/m 6kV/m200k

11、A 3kA1.5ms 8ms20ms 核爆炸产生 a 的电磁脉冲 b100kV/m 1kV10kA 10A10ns 20ns150ns 1ms 静电放电   a            b40kV 15kV80A 10a15ns 10ns100ns 100ns 开关动作   a            

12、b2500V 600V200A 500A10ms 50ms40ms 10ms  注：a是直接造成的最坏瞬变状态，b是间接的瞬变状态 三、什么是压敏电阻滤波器Varistor Filters     瞬变噪声不同于连续噪声它是一种短暂的过压现象、因此尽管认为采用适当的EMI滤波器和屏蔽是抑制连续噪声的最好对策，但对瞬变噪声就未必有效。正是这种瞬变噪声使高度集成化的IC处于极度脆弱的境地，IC受到10倍于工作电压的过压冲击其结果不是可能被破坏就是失去功能。由于瞬变电压给电子产品造成的危害，用户期望获得一种元器件它是一个具有相同电容值的压敏电阻，用它

13、去全部或部分替代EMI滤波器的电容元件以增大对瞬变电压的保护能力，使用这种元器件的滤波器就是压敏电阻滤波器。由于所制造的压敏电阻的ESL极小，所以压敏电阻有时是一个瞬息抑制二极管（Transient Voltage SuppressorsTVS管）或类的压敏电阻。换句话说这里所指的压敏电阻是一个多功能元器件、而实际上压敏电阻滤波器所显示的性能和一个X7R陶瓷电容滤波器是无法区别的，所有的频率阻抗和所有的DC工作电压都是相同的。     可以这么说、多层压敏芯片反映了目前所有小型电容技术的发展成果（包括成本、尺寸、性能、可靠性和使用方便

14、等）。     目前市场可以购到的压敏芯片的规格范围从06032220、工作电压从3.3V120V(约)DC、抑制浪涌电流的等级至500A、能量等级至2.5J和电容值低至65pF高至6000pF。 现有的产品品种有，馈通芯片、平衡线芯片、圆盘形电容器和平面阵列芯片等，这些芯片充分体现了采用尖端技术的滤波器组合。 四、压敏电阻滤波器的结构和工作原理 1、压敏电阻滤波器的结构     压敏电阻采用陶瓷材料其主要成分是氧化锌（内添加少量氧化物如铋、钴、锰等），在制造时，原先的陶瓷粉末被混合和成形，然后进行烧结，烧结温度10001400；当烧

15、结时金属氧化添加物会移动到晶格的边界，在那儿他们形成半导体层即P-N结。烧结后的金属化是为了提供一个电的连接如果需要可由此引出导线。图6显示烧结中的内部多层晶格结构。所以压敏电阻又称为Metal Oxide VaristorMOV。     单层压敏电阻Single Layer Varistor(SLV)的结构、见图7和多层压敏电阻（MLV）的结构不同，见图8、图9、图10。现今表面贴装（SM）的多层压敏电阻占优势，因为他们特别适用于抑制EMI的场合，其外形尺寸与贴片电容、电阻的工业标准一致。 2、压敏电阻滤波器的工作原理

16、    压敏电阻是一个可变电阻器，在低于门限电压工作时，压敏电阻可作为一个常规的高阻它遵循欧姆定理；在门限电压之上压敏电阻变为叩嫉缣宄氏值妥杩固匦浴飧雒畔薜缪咕褪求槲坏缪埂?当压敏电阻变为高导电体时，它的箝位电压就是允许的最高工作电压即系统能经受的保护电压。具有以上特性的压敏电阻可以应用于保护在瞬时的或瞬变过电压下工作的电路，这时压敏电阻一般并联安装在被保护电路的信号线和地线之间，如图11所示。     在低于箝位电压时，压敏电阻的特性类似一个陶瓷电容器起到电容滤波器的作用。 3、压敏电阻滤波器的伏安特性   &#

17、160; 由于压敏电阻晶体的不定向性所以是个双极性器件，具有对称陡峭的电压击穿特性，所显示的电特性类似背对背地齐纳二极管，见图12。     图13是用对数座标显示压敏电阻的伏安特性，伏安特性分为三个工作区，左区为泄漏电流区这时压敏电阻呈高阻状态（斜率）R=109、中区为压敏电阻正常工作区、右区为向上翻转区压敏电阻呈妥枳刺甭剩=110；图14也是用对数座标显示压敏电阻的伏安特性，它表示某一型号压敏电阻的伏安特性曲线，曲线从左到右的三个标示为最大DC电压、额定工作电压和箝位电压，有了这些数据就可以选择适用的压敏电阻。     图15表示

18、压敏电阻在向上翻转区的低阻状态，它将包含瞬变脉冲在内的损耗能量变为热量，图中显示将瞬变脉冲箝位在箝位电压上的过程。图16表示压敏电阻在泄漏电流区，某些压敏电阻的温度依从关系即电压的温度系数（/）与电流的关系曲线；但在正常工作区不存在这种温度依从关系、其中对于125时的箝位电压也和25时的一样。     图17是关于箝位电压测量波形的描述，工业推荐箝位电压的测量波形是8/20ms其中8ms是峰值电流从10上升至90的时间、20ms是峰值电流从起始衰减至50的时间，注意额定工作电压和箝位电压存在数学关系一个参数的变化将导至另一个参数的类似变化。   

19、;  图18表示箝位电压的测量方法，规定所有的测量都在直流1MA、8/20mS脉冲电流的条件下测量。 4.压敏电阻滤波器抑制峰值电流、峰值能量的能力 1）峰值电流的性能：所谓最大不重复浪涌电流（ITM）是指最大峰值电流，它被用于表达压敏电阻在8/20mS脉冲电流条件下不会引起器件损坏的能力。在此情况、器件的损坏往往决定初始额定工作电压的10波动。     通常在较小过电压时（额定工作电压和箝位电压也减小）压敏电阻保持功能、继续提供电路的保护功能；在严重过电压时将造成压敏电阻灾难性的损坏、通常损坏的方式是短路但接踵而来的器件过热会发生爆炸如同引入高能量一样

20、、最终压敏电阻导致开路状态。 2) 抑制峰值能量的最大能力：所谓最大不重复浪涌能量（WTM）是指最大峰值能量即压敏电阻不会引起器件损坏所具有的吸收脉冲能量的最大能力，规范中所用的脉冲测量波形包括10/1000mS、10/700mS脉冲电压波形和2ms的脉冲电流波形。     压敏电阻额定能量用J焦耳（瓦秒）表示，压敏电阻从一个脉冲中所吸收的能量可按下式计算:能量（E）=箝位电压（VC）×平均电流（IMEAN）×脉冲宽度（） 或用积分表示：  式中： 是峰值电流、K是波形常数   

21、60; 举例说明：已知类似图17指数形脉冲电流为8/20mS波形，在箝位电压1000V时的峰值电流为100A，求最大峰值能量：查得脉冲上升部分的波形常数K=0.5；指数形脉冲下降部分的波形常数K=1.4。 总能量： 5.承受脉冲次数的能力     压敏电阻能够承受脉冲冲击的次数是有限的，当然承受脉冲冲击的次数是和脉冲的能量密切有关。多数单层压敏电阻（SLV）的制造商往往给出同一型号压敏电阻的脉冲冲击次数曲线，曲线显示在同一脉冲宽度条件下，最大浪涌电流越大耐脉冲冲击的次数越小；最大浪涌电流越小耐脉冲冲击的次数越大。换句话说压敏电阻的脉冲冲击次数曲线给用户提

22、供了预估压敏电阻使用寿命（期限）的能力，制造商往往保证用户在规定的脉冲冲击次数内压敏电阻能经受脉冲的冲击。图19给出低电压压敏电阻的脉冲冲击次数曲线。图20单独分离出8/20mS波形的耐脉冲冲击次数曲线。 五、压敏电阻滤波器的应用 1、三端贯通压敏电阻滤波器      从图21三端贯通压敏电阻滤波器的等效电路看到，压敏电阻设置在三端贯通滤波器的接地端。正常工作时，在允许有用信号通过三端贯通滤波器的同时，将噪声旁路到地，这时压敏电阻等效一个X7R电容器；当高于压敏电阻箝位电压的浪涌电压到来时，压敏电阻立即呈现低阻抗将浪涌电压旁路到地。不

23、论那种情况都要求接地支路的等效串联电感ESL尽量地小，有效减小ESL的办法是利用滤波器电极结构的自感特性来实现。     在常规MLV芯片，电流从第一个电极流入跨过介质经第二电极流出，所以两个电极电流所产生的磁力线具有相同的方向，见图22。     但三端贯通滤波器不同所对应电极的电流差900与常规MLV芯片相比，由于减小了电极之间的互感所以ESL极低，典型三端贯通压敏电阻滤波器的ESL为200500pH。见图23。 2、平衡线压敏电阻滤波器     平衡线压敏电阻滤波器又称X2Y压敏电阻滤波器，见图24

24、。     平衡线压敏电阻滤波器虽然也是三端芯片但其独特的结构（详见X2Y专题报告）使差模支路电流的方向差1800、共模支路电流的方向差900，见图25。所以差模支路的ESL低于50pH是常规MLV芯片的4因此具有超高频性能。其电极间设置方式是线间及线地间共设置了三只压敏电容器，见图24。因此能有效地消除共模和差模噪声，电路中CV1电容是CV2的50以及CV2等于CV3。CV2和CV3的压敏电压是相等的，而CV1的压敏电压是CV2和CV3的一倍。     可购到的平衡线压敏电阻滤波器规格为0805和1206它所具有的电压和电容值和那些常规ML