多層壓敏電阻陣列的濾波連接器設計

“連接器對于電子設備沒有什么貢獻”是一個陳舊的和有爭議的說法，寫出來后引起了一些爭論，但現(xiàn)在毫無疑問已經(jīng)是過時和錯誤的！目前單個的連接器，能對抗連續(xù)的或瞬態(tài)的噪聲實現(xiàn)設備保護功能。當然，隨即而來的就是費用問題。加上濾波功能，一個10美元的連接器就成為一個100美元的連接器。加上防電壓尖峰功能，你就需要面對1000美元的連接器了。

幸運的是，近來的革新已經(jīng)改變了這個令人困惑的局面。多層平面陣列的濾波式電容器，現(xiàn)在可實現(xiàn)如瞬態(tài)保護的功能。采用多層壓敏電阻平面陣列起瞬態(tài)保護的濾波連接器為產(chǎn)品設計提供了一個可選方案。

壓敏電阻

壓敏電阻就是可變電阻。在較低的應用電壓時，壓敏電阻充當一個傳統(tǒng)的高阻值電阻并服從歐姆定律，當超過一定的閾值電壓后，該器件變得高度導電，在高電壓時表現(xiàn)出低的阻抗。當壓敏電阻導電時，它鉗位外加電壓到指定的最大值，該值是設備可以承受的。憑借這些特性，壓敏電阻在電子產(chǎn)品中得到應用，保護電路遠離瞬間過電壓。在低電壓時，壓敏電阻類似于一個陶瓷電容器，正因為如此，它可以當作處理連續(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

當把壓敏電阻器用作濾波應用時，其限制之一是：其保護功能降級，這可能是電壓浪涌重復性沖擊的結(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，原始的陶瓷粉末進行混合、成形，然后燒制。并用金屬化來實現(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，將進行切換變成高的導電性。

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)的看法認為壓敏電阻在高電流重復脈沖下會導致電氣性能的降級，（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，要求使用精細晶粒陶瓷成分，這個需求可以在多層結(jié)構(gòu)下實現(xiàn)。當這一目標完成后，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)保護技術(shù)的元件制造商希望采用他們喜歡的產(chǎn)品，反應速度、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時間要遠遠少于500皮秒。

部分早期壓敏元件反應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）應低至30pH。這些為響應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)生的感應電壓之和）。減少MLV濾波器結(jié)構(gòu)中自感到數(shù)十pH，可以消除所擔心的電壓過沖。

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。針對傳導有效的措施是EMI濾波器，將傳導能量從受保護系統(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備的電路板上，但最有效的還是將濾波器放置在設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，這樣它們進入設備屏蔽體只在一個點處。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)。因為濾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計形式。一個陶瓷塊內(nèi)包含有多種電容器。單個接線都是通過通孔連接到每個電容器，并且在器件范圍內(nèi)都連接到地。當信號沿多條路徑到地時表現(xiàn)出非常低的阻抗（圖3）。連接器的每一個接頭連接到一個或多個陣列內(nèi)的孔上。在每一個孔里有一個電容器——‘熱電極’與周圍的整體連接起來，地面電極覆蓋整個平面并且和連接器外殼通過平面周邊連接起來（圖4）。

圖3

圖4

以平面為基礎的濾波連接器適用于所有MIL－STD連接器設計。連接器的形狀（該平面陣列的外形必須一致）均為圓形或長方形。常用的矩形設計包括D-Sub和高密度D-Sub和微Ds，Arinc404s和Arinc600。不規(guī)則形狀也可以。相應的平面尺寸是：從5毫米見方到75毫米直徑。

接觸數(shù)目從2個到200多個。標準的接觸范圍從0.3毫米直徑向上到同軸電纜——全部能濾波。標準接觸程度從0.63毫米開始。

平面陣列內(nèi)，有多達6種不同的、沒有任何比率關(guān)系電容值可以布置在版面上。每一個平面可以指定不同的工作電壓，一個典型300伏額定直流電的平面可以承受高達750伏的瞬態(tài)峰值。瞬態(tài)能力達3000V需要指定。個別的孔可能是絕緣的（饋入點）或接地。可以指定最大為10MΩ的地平面電阻，并且串擾電容可以限制在10pF或更小。

平面陣列的復雜性不在于復雜的電氣要求以便組成單個元件，而在于制造該器件的機械精度。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），在煅燒時它們會收縮，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于中心基準點移動至少超過2.5毫米，也就是說它是管腳公差允許值的50倍！

平面陣列是一種最先進的無源器件。每個器件擁有多個電容器，多個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源元件。

多層壓敏電容陣列

低電壓時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，從總價值看，MLV的濾波性能與一個電容器相比是無區(qū)別的。

當應用于濾波器時，壓敏電阻提供了額外的瞬態(tài)保護功能。它將暫態(tài)電壓脈中所載的能量消耗成熱（圖5）。高導電氧化鋅顆粒作為散熱器可確保整個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，不適合應用在連續(xù)功率消耗上）。

圖5

已有事實表明，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)，因而不能重復用作壓敏電阻。這些復雜的組成部分納入到起保護作用的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充在C，L，T或Pi濾波器結(jié)構(gòu)中的電容器。