- 濾波連接器設(shè)計(jì)
- 壓敏電阻設(shè)計(jì)
- 多層平面電容陣列設(shè)計(jì)
- 多層壓敏電容陣列設(shè)計(jì)
“連接器對(duì)于電子設(shè)備沒(méi)有什么貢獻(xiàn)”是一個(gè)陳舊的和有爭(zhēng)議的說(shuō)法，寫(xiě)出來(lái)后引起了一些爭(zhēng)論，但現(xiàn)在毫無(wú)疑問(wèn)已經(jīng)是過(guò)時(shí)和錯(cuò)誤的！目前單個(gè)的連接器，能對(duì)抗連續(xù)的或瞬態(tài)的噪聲實(shí)現(xiàn)設(shè)備保護(hù)功能。當(dāng)然，隨即而來(lái)的就是費(fèi)用問(wèn)題。加上濾波功能，一個(gè)10美元的連接器就成為一個(gè)100美元的連接器。加上防電壓尖峰功能，你就需要面對(duì)1000美元的連接器了。
幸運(yùn)的是，近來(lái)的革新已經(jīng)改變了這個(gè)令人困惑的局面。多層平面陣列的濾波式電容器，現(xiàn)在可實(shí)現(xiàn)如瞬態(tài)保護(hù)的功能。采用多層壓敏電阻平面陣列起瞬態(tài)保護(hù)的濾波連接器為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了一個(gè)可選方案。
壓敏電阻
壓敏電阻就是可變電阻。在較低的應(yīng)用電壓時(shí)，壓敏電阻充當(dāng)一個(gè)傳統(tǒng)的高阻值電阻并服從歐姆定律，當(dāng)超過(guò)一定的閾值電壓后，該器件變得高度導(dǎo)電，在高電壓時(shí)表現(xiàn)出低的阻抗。當(dāng)壓敏電阻導(dǎo)電時(shí)，它鉗位外加電壓到指定的最大值，該值是設(shè)備可以承受的。憑借這些特性，壓敏電阻在電子產(chǎn)品中得到應(yīng)用，保護(hù)電路遠(yuǎn)離瞬間過(guò)電壓。在低電壓時(shí)，壓敏電阻類似于一個(gè)陶瓷電容器，正因?yàn)槿绱?，它可以?dāng)作處理連續(xù)噪聲的濾波器的一部分。那么，為什么壓敏電阻器不經(jīng)常使用在濾波應(yīng)用中，使他們能夠完成雙重角色——即連續(xù)噪聲衰減和瞬態(tài)電壓抑制器呢？
壓敏電阻脈沖等級(jí)
當(dāng)把壓敏電阻器用作濾波應(yīng)用時(shí)，其限制之一是：其保護(hù)功能降級(jí)，這可能是電壓浪涌重復(fù)性沖擊的結(jié)果。
壓敏電阻器是由陶瓷材料制成的。多數(shù)壓敏電阻其主要成分是氧化鋅（ZnO）。同時(shí)添加了少量其它氧化物，如鉍，鈷，錳等。因此，壓敏電阻有時(shí)被稱為金屬氧化物壓敏電阻或MOVs。
在制造過(guò)程中，原始的陶瓷粉末進(jìn)行混合、成形，然后燒制。并用金屬化來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣連接。在陶瓷的燒制過(guò)程中，形成了多晶結(jié)構(gòu)（圖1）。添加的金屬氧化物移動(dòng)到結(jié)晶體的邊緣，形成半導(dǎo)電層P-N結(jié)。這意味著平均晶粒尺寸由原始粉末配方和燒制溫度來(lái)決定。當(dāng)單位晶粒邊界的外加電壓低于3.6伏特時(shí)，晶粒邊界呈現(xiàn)高的電阻性。高于上述門(mén)限后，將進(jìn)行切換變成高的導(dǎo)電性。
圖1
壓敏電阻本身的切換電壓取決于電極間平均晶粒的數(shù)目。
壓敏電阻的晶體結(jié)構(gòu)沒(méi)有方向性，因此，壓敏電阻是雙極性器件。它們表現(xiàn)出的電子特性，如對(duì)稱性、尖峰電壓擊穿特性，類似于背對(duì)背齊納二極管。傳統(tǒng)的看法認(rèn)為壓敏電阻在高電流重復(fù)脈沖下會(huì)導(dǎo)致電氣性能的降級(jí)，（特別是降低了其鉗位性能，增加了它們的漏電流）。有一段時(shí)間，壓敏電阻制造商要求使用大晶粒的陶瓷成分。大晶粒尺寸使得單位面積的電極有更少的晶體邊界和電極之間有更長(zhǎng)的電流路徑。單位面積電極上的串聯(lián)電阻相對(duì)較高，導(dǎo)致成比例地降低峰值電流的容量。
對(duì)在低電壓下工作的壓敏電阻表面貼裝片，要求使用精細(xì)晶粒陶瓷成分，這個(gè)需求可以在多層結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)。當(dāng)這一目標(biāo)完成后，相對(duì)于多層結(jié)構(gòu)提供的元件表面，連接到大電極面積上的細(xì)小和均勻的晶粒使得單元元件體積內(nèi)峰值電流容量大幅的增加。
多層壓敏電阻器（MLVs）的電流和能量比相對(duì)于其它壓敏類型是非常穩(wěn)定的，現(xiàn)在能夠展示MLVs可以經(jīng)受住成千上萬(wàn)次全額定電流峰值沖擊，而性能不降級(jí)。
速度與過(guò)沖
各種瞬態(tài)保護(hù)技術(shù)的元件制造商希望采用他們喜歡的產(chǎn)品，反應(yīng)速度、或不采用往往成為壓敏電阻考慮的問(wèn)題。壓敏電阻基底材料的響應(yīng)時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于500皮秒。
部分早期壓敏元件反應(yīng)時(shí)間降低的主要因素是成品封裝時(shí)引起的寄生電感。在結(jié)構(gòu)中使用了25至50毫米的引線，其表現(xiàn)出0.6nH/mm的電感，而高自感形成徑向?qū)Ь€壓敏電阻的特性。
現(xiàn)在，多層結(jié)構(gòu)已消除引線，一個(gè)典型的電感為1200pH量級(jí)的1206MLV芯片的響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)1納秒。其他元件的配置，如果成為濾波電容器的結(jié)構(gòu)，對(duì)于壓敏電阻是合適的，其等效串聯(lián)電感（ESLs）應(yīng)低至30pH。這些為響應(yīng)時(shí)間下降到幾十皮秒提供了可行性。
壓敏電阻結(jié)構(gòu)中固有自電感（L）所造成的另一個(gè)問(wèn)題是電壓過(guò)沖。由于壓敏電阻自感（L）的原因引起變化的電流（di/dt），會(huì)產(chǎn)生-Ldi/dt的電壓。在電壓尖峰，壓敏電阻器上將出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖（鉗位電壓和壓敏電阻自感產(chǎn)生的感應(yīng)電壓之和）。減少M(fèi)LV濾波器結(jié)構(gòu)中自感到數(shù)十pH，可以消除所擔(dān)心的電壓過(guò)沖。
EMI濾波器
針對(duì)輻射有效的措施是屏蔽。輻射噪聲能量被屏蔽體吸收并以熱的形勢(shì)散失。針對(duì)傳導(dǎo)有效的措施是EMI濾波器，將傳導(dǎo)能量從受保護(hù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)到地里。（圖2）。EMI濾波器由電容器和電感器組成，利用其不同的阻抗特性，來(lái)選擇性的減少不必要的信號(hào)。
圖2[page]
濾波器是雙向的。它阻止不想要的信號(hào)遠(yuǎn)離系統(tǒng)，同時(shí)也阻止該系統(tǒng)向外發(fā)射噪聲?，F(xiàn)在一個(gè)比較普遍的做法是將濾波器裝在設(shè)備的電路板上，但最有效的還是將濾波器放置在設(shè)備屏蔽體的出口和入口。連接器可以將電源和信號(hào)電纜并在一起，這樣它們進(jìn)入設(shè)備屏蔽體只在一個(gè)點(diǎn)處。在連接器內(nèi)每一個(gè)接觸的地方，都可以形成一個(gè)濾波器，根據(jù)系統(tǒng)的要求可以是C，T，L或Pi型結(jié)構(gòu)。因?yàn)闉V波連接器的使用可以去掉電路板級(jí)的濾波器電路，從而可降低整個(gè)系統(tǒng)的尺寸和重量。同時(shí)，由于焊點(diǎn)數(shù)量的減少，系統(tǒng)的可靠性得到提高。
多層平面電容陣列
多層平面陣列是一種特定的用于EMI濾波連接器的元件設(shè)計(jì)形式。一個(gè)陶瓷塊內(nèi)包含有多種電容器。單個(gè)接線都是通過(guò)通孔連接到每個(gè)電容器，并且在器件范圍內(nèi)都連接到地。當(dāng)信號(hào)沿多條路徑到地時(shí)表現(xiàn)出非常低的阻抗（圖3）。連接器的每一個(gè)接頭連接到一個(gè)或多個(gè)陣列內(nèi)的孔上。在每一個(gè)孔里有一個(gè)電容器——‘熱電極’與周?chē)恼w連接起來(lái)，地面電極覆蓋整個(gè)平面并且和連接器外殼通過(guò)平面周邊連接起來(lái)（圖4）。
圖3
圖4（原文圖上文字看不清楚）
以平面為基礎(chǔ)的濾波連接器適用于所有MIL－STD連接器設(shè)計(jì)。連接器的形狀（該平面陣列的外形必須一致）均為圓形或長(zhǎng)方形。常用的矩形設(shè)計(jì)包括D-Sub和高密度D-Sub和微Ds，Arinc404s和Arinc600。不規(guī)則形狀也可以。相應(yīng)的平面尺寸是：從5毫米見(jiàn)方到75毫米直徑。
接觸數(shù)目從2個(gè)到200多個(gè)。標(biāo)準(zhǔn)的接觸范圍從0.3毫米直徑向上到同軸電纜——全部能濾波。標(biāo)準(zhǔn)接觸程度從0.63毫米開(kāi)始。
平面陣列內(nèi)，有多達(dá)6種不同的、沒(méi)有任何比率關(guān)系電容值可以布置在版面上。每一個(gè)平面可以指定不同的工作電壓，一個(gè)典型300伏額定直流電的平面可以承受高達(dá)750伏的瞬態(tài)峰值。瞬態(tài)能力達(dá)3000V需要指定。個(gè)別的孔可能是絕緣的（饋入點(diǎn)）或接地。可以指定最大為10MΩ的地平面電阻，并且串?dāng)_電容可以限制在10pF或更小。
平面陣列的復(fù)雜性不在于復(fù)雜的電氣要求以便組成單個(gè)元件，而在于制造該器件的機(jī)械精度。典型情況下，連接器的引腳位置精度必須優(yōu)于±0.05毫米，而平面陣列必須有相同的或更好的公差。平面必須在陶瓷煅燒之前完成（成形和鉆孔），在煅燒時(shí)它們會(huì)收縮，一般是百分之二十左右。30毫米直徑平面煅燒后引腳的位置相對(duì)于中心基準(zhǔn)點(diǎn)移動(dòng)至少超過(guò)2.5毫米，也就是說(shuō)它是管腳公差允許值的50倍！
平面陣列是一種最先進(jìn)的無(wú)源器件。每個(gè)器件擁有多個(gè)電容器，多個(gè)電容值以及多種電氣功能的替代品，它就是一種原始的集成無(wú)源元件。
多層壓敏電容陣列
低電壓時(shí)多層壓敏電阻的效能像電容器。晶體顆粒的邊界是絕緣的，表現(xiàn)出介電材料特性。MLV的有效介電常數(shù)約800，是典型的X7R多層電容器介質(zhì)介電常數(shù)的四分之一到三分之一。從壓敏變阻器得到的電容值是低于那些傳統(tǒng)的電容器。鑒于這些是常規(guī)多層電容器技術(shù)所能得到的低端產(chǎn)品，從總價(jià)值看，MLV的濾波性能與一個(gè)電容器相比是無(wú)區(qū)別的。
當(dāng)應(yīng)用于濾波器時(shí)，壓敏電阻提供了額外的瞬態(tài)保護(hù)功能。它將暫態(tài)電壓脈中所載的能量消耗成熱（圖5）。高導(dǎo)電氧化鋅顆粒作為散熱器可確保整個(gè)器件中迅速和均勻地散熱，并盡量減少溫度上升（但是壓敏電阻只可以消耗少量的平均功率，不適合應(yīng)用在連續(xù)功率消耗上）。
圖5
已有事實(shí)表明，可以建造一種多層結(jié)構(gòu)，不具有多層電容元件結(jié)構(gòu)，因而不能重復(fù)用作壓敏電阻。這些復(fù)雜的組成部分納入到起保護(hù)作用的EMI濾波連接器（包括插頭和插座）和濾波適配器。他們可以用于取代或補(bǔ)充在C，L，T或Pi濾波器結(jié)構(gòu)中的電容器。
