基于多層壓敏電阻陣列的濾波連接器設(shè)計(jì)

近來的革新出現(xiàn)了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，壓敏電阻充當(dāng)一個傳統(tǒng)的高阻值電阻并服從歐姆定律，當(dāng)超過一定的閾值電壓后，該器件變得高度導(dǎo)電，在高電壓時表現(xiàn)出低的阻抗。當(dāng)壓敏電阻導(dǎo)電時，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)離瞬間過電壓。在低電壓時，壓敏電阻類似于一個陶瓷電容器，正因?yàn)槿绱耍梢援?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

　　當(dāng)把壓敏電阻器用作濾波應(yīng)用時，其限制之一是：其保護(hù)功能降級，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）。同時添加了少量其它氧化物，如鉍，鈷，錳等。因此，壓敏電阻有時被稱為金屬氧化物壓敏電阻或MOVs。

　　在制造過程中，原始的陶瓷粉末進(jìn)行混合、成形，然后燒制。并用金屬化來實(shí)現(xiàn)電氣連接。在陶瓷的燒制過程中，形成了多晶結(jié)構(gòu)（圖1）。添加的金屬氧化物移動到結(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決定。當(dāng)單位晶粒邊界的外加電壓低于3.6伏特時，晶粒邊界呈現(xiàn)高的電阻性。高于上述門限后，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，如對稱性、尖峰電壓擊穿特性，類似于背對背齊納二極管。傳統(tǒng)的看法認(rèn)為壓敏電阻在高電流重復(fù)脈沖下會導(dǎo)致電氣性能的降級，（特別是降低了其鉗位性能，增加了它們的漏電流）。有一段時間，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的電流路徑。單位面積電極上的串聯(lián)電阻相對較高，導(dǎo)致成比例地降低峰值電流的容量。

　　對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)受住成千上萬次全額定電流峰值沖擊，而性能不降級。

　　速度與過沖

　　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題。壓敏電阻基底材料的響應(yīng)時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于500皮秒。

　　部分早期壓敏元件反應(yīng)時間降低的主要因素是成品封裝時引起的寄生電感。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，一個典型的電感為1200pH量級的1206MLV芯片的響應(yīng)時間不超過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）所造成的另一個問題是電壓過沖。由于壓敏電阻自感（L）的原因引起變化的電流（di/dt），會產(chǎn)生-Ldi/dt的電壓。在電壓尖峰，壓敏電阻器上將出現(xiàn)一個過沖（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)心的電壓過沖。

　EMI濾波器

　　針對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散失。針對傳導(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，來選擇性的減少不必要的信號。

圖2

　濾波器是雙向的。它阻止不想要的信號遠(yuǎn)離系統(tǒng)，同時也阻止該系統(tǒng)向外發(fā)射噪聲?，F(xiàn)在一個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電纜并在一起，這樣它們進(jìn)入設(shè)備屏蔽體只在一個點(diǎn)處。在連接器內(nèi)每一個接觸的地方，都可以形成一個濾波器，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的濾波器電路，從而可降低整個系統(tǒng)的尺寸和重量。同時，由于焊點(diǎn)數(shù)量的減少，系統(tǒng)的可靠性得到提高。