EMI对策元件和电路保护元件的发展与应用N

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休磁珠和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<