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用于电磁干扰抑制的片式元件(一)

2010-04-09 15:41:23 来源:《磁性元件与电源》2010年4月刊 点击:1709

1 引言
随着电子设备朝小型、轻量、集成、高速、智能和多功能方向发展,表面贴装的片式元件应用得到了迅速发展。具有体积小,性能好、功能全、价位低的优势,作为新一代电子组装技术,被广泛应用各个领域的电子产品中。
采用表面贴装技术的电子设备的主要特点:
(1) 组装密度高。与传统元件相比,可使电子产品体积缩小60%,重量减轻75%。
(2) 可靠性高。整机生产过程中的高度自动化,使不良焊点少、抗振动能力强,故产品的可靠性高。
(3) 高频特性好。无引线或短引线的片式元件,降低了寄生效应,提高了电路的高频特性。
(4) 生产成本低。片式元件除降低了印制板制作费用、电路调试费用、包装、运输和储存费用外,随着技术发展,片式元件本身生产成本也在迅速下降中。
设备小型化的同时,设备的工作电压却一再降低(已低至1点几伏),工作速度却越来越高,由此引发的设备电磁兼容问题就越发严重了。作为对电磁兼容对策处理而使用的片式电磁兼容对策器件理所当然地得到了迅速发展,以便与设备的小型化趋势相匹配。
现在,片式电磁兼容对策器件的品种已经相当齐全:有片式磁珠、片式电感、片式电容、片式电磁干扰(EMI)滤波器和片式压敏电阻等等。
2 片式电磁兼容对策器件的应用例
片式电磁兼容对策器件的应用例见图1所示。
图中可见:
在电源线输入处用片式压敏电阻,片式EMI滤波器,片式铁氧体磁珠。
在DC-DC变换器上用片式EMI滤波器,片式铁氧体磁珠,片式三端电容器,片式三端电容器与普通电容器的组合。
在集成电路的供电电源上用片式铁氧体磁珠,片式三端电容器,片式三端电容器与普通电容器的组合。
在时钟电路上用片式EMI滤波器。
在总线上用排式EMI滤波器。
在外部接口上用排式EMI滤波器。
在外部测控线路上用片式压敏电阻。
3 片式铁氧体磁珠
片式铁氧体磁珠是目前应用、发展很快的一种抗干扰元件,廉价、易用,滤除高频噪声效果显著。
3.1 片式铁氧体磁珠的工作原理
图2为片式铁氧体磁珠的结构和等效电路,图中可见它实质上是1个片式叠层型电感器,是由铁氧体磁性材料与导体线圈组成的叠层型独石结构。由于在高温下烧结而成,因而具有致密性好、可靠性高等优点。两端的电极由银/镍/焊锡3层构成,可满足再流焊和波峰焊的要求。
磁珠的等效电路用电感L和电阻R(后者体现涡流损耗的损耗电阻)的串联来表示(图3),L和R都是频率的函数。
在低频段,磁珠的损耗很小,阻抗主要由电感的感抗构成。由于磁珠的磁导率较高,因此电感量较大,电磁干扰被反射而受到抑制,整个器件是一个低损耗、高Q值的电感。这种电感容易造成谐振,因此在低频段,有时可能出现使用铁氧体磁珠后干扰增强的现象。
在高频段,磁珠的磁导率降低,导致电感的电感量减小,感抗成分减小。但是,随着频率的增高,磁珠的损耗(主要是磁珠的涡流损耗)也在增高,它反映为磁珠的电阻成分在增高,这样,高频下的磁珠阻抗将主要由电阻成分构成。随着频率的升高,导致磁珠的总阻抗继续增加。高频信号通过铁氧体时,电磁干扰将被吸收,并转换成热能的形式耗散掉。
传输线中,叠加在信号上的高频成分是无用的电磁干扰,能沿着线路边传输和边辐射。为了消除这些不需要的信号成分,利用片式磁珠在高频下产生涡流损耗扮演高频电阻的角色,让频率较低的信号顺利通过,而滤除叠加在信号传输电平上的高频成分(通常在30MHz以上)。当然片式磁珠在滤除高频成分的同时,对低频有用信号多少也要受到一点影响。
3.2 片式铁氧体磁珠的分类
3.2.1 普通系列
这是应用最多的片式磁珠,可以在比较宽的频率范围内都有好的EMI抑制性能。大量应用于各类电子设备的数字信号的波形及接口部位的噪声控制。
选用时注意,不同的片式磁珠,阻抗 |Z| 随频率的上升趋势是不相同的。选择原则是在有用信号的频率范围内 |Z| 要尽可能地低,不致造成信号的衰减和畸变;而在需要抑制电磁骚扰的高频范围内,|Z| 要尽可能高,将高频噪声有效抑制。选用时还要注意直流电阻和额定电流。
3.2.2 大电流系列
不要在超过手册规定的电流范围使用片式体磁珠。否则会出现铁氧体接近饱和,使导磁率下降,抑制高频噪声的效果明显减弱。
对于某些必须能够承受较大电流的场合(如在直流电源输出端口),为了有效抑制直流电源中的高次谐波分量。这类片式磁珠必须在大的偏置磁场下对高频信号仍然保持较高阻抗值。这在现代数字电子产品的电源电路、USB电源线、以及DVD等电子产品中的激光束驱动电路都会遇到这样的问题。为此,厂家专门开发了大电流的片式磁珠,其额定电流几乎提高1个数量级,还能在较宽的频率范围内有高阻抗及EMI抑制效果。
3.2.3 高频系列
当前,数字电路高速化发展趋势强劲,时钟频率越来越高。这样,一方面将电磁干扰的频率范围向高频段扩展,直至2GHz~3GHz;另一方面,由于高速数字信号的脉冲波形更加陡峭,基波频率得到提高,为了使这些信号通过片式磁珠后波形不发生畸变,就要求在3次至5次谐波下不产生大的损耗。亦即,装在高速数字电路的片式磁珠在几百MHz(如400MHz)以下要保持低阻抗|Z| ,以便不引起信号波形畸变;而在几百MHz至2GHz~3GHz的高频段内具有高阻抗|Z|,能够有效地抑制高频电磁干扰。为此,生产厂家努力开发出了GHz高频型片式磁珠,应用在超高速产品中(如移动通讯、计算机及其周边设备)。
3.2.4 定频系列
某些电子产品,有时会在某一固定频率出现强烈干扰信号。产生的原因很多,如高次谐波、自激振荡或外界干扰等。由于干扰出现在固定频率下,而且幅度很大,用普通EMI对策元件很难抑制。针对这种情况,厂家开发了定频系列的片式磁珠产品,它的 |Z| ~f曲线在某一频率下呈现尖锐的峰值阻抗。只要定频系列片式磁珠所呈现尖锐峰值阻抗的频率与干扰信号频率重合,那么既能在特定频率范围内获得高的衰减效果,又不对有用信号产生影响。
由于不同电子产品中出现的干扰信号频率是不同的,最好根据产品的具体情况(干扰信号的频率、频带、幅度等)向片式磁珠生产厂家专项订购,以达到满意效果。
定频系列的片式磁珠可用在计算机及外围总线电子设备、通信设备、数字视听设备和摄录一体机里。
图4是日本村田制作所生产的BLM15BA定频系列片式磁珠的阻抗—频率特性。
3.2.5 磁珠排(磁珠阵列)
将几个(一般是2个、4个、6个、8个)磁珠并列封装在一起,构成1个集成型片式EMI对策元件,称之为片式铁氧体磁珠排或磁珠阵列。磁珠排中的每1线的性能与单个磁珠相同。磁珠排适合于在多条回路有排线的部位(如I/O排线)作抗电磁干扰和高密度电路设计。磁珠排的使用非常方便,既能节省印刷电路板的占用面积,又能提高贴装速度,而且回路之间没有串扰。
只要需要,前面提到的几类片式铁氧体磁珠都可以做成磁珠排。
图5是村田的BLA22AA/ BLA22AB系列磁珠排的引线、出脚和外形尺寸图。
4 片式电感和片式共模电感
4.1 概述
按照电感器在线路中的作用,主要有波形发生和扼流电抗两方面的应用。
作为电磁兼容的对策器件,主要是将电感器作为扼流圈来使用,这在电源和信号电路中都有应用。用它构成的滤波电路具有较宽的频率抑制特性和较高的通过电流。这种电感器不需要有高的Q值,而低的直流电阻可以保证在额定电流通过时有最小的电压降。
4.2 片式电感
片式电感的结构分类,分为叠层和绕线两大类型。
4.2.1 片式叠层电感器
片式叠层电感器,是电感领域重点开发的产品。片式叠层电感器不用绕线,用铁氧体浆料(镍锌或锰锌材料)和导体浆料交替印刷、叠层、烧结,形成有闭合磁路的电感线圈(见图6)。采用厚膜多层钝化技术和叠层生产工艺,尺寸更小,更加容易实现规模化生产。
就图中结构来看,片式叠层电感器与片式磁珠并无根本差别。
大多数片式叠层电感器,特别是功率电感器和EMI抑制器都使用镍锌系材料。锰锌系材料主要用在片式变压器和片式低频电感中。
叠层型电感的主要特点是有磁屏蔽,不会干扰周围的元器件,也不会受临近元器件的干扰,有利于元器件的高密度安装。另外,规整的形状,更加适合于自动化的表面贴装生产。
与绕线型相比,电感量和允许通过的电流相对较小,但是更适合在高频下使用。
4.2.2 绕线型片式电感
片式电感器的另一种形式是片式绕线电感器,这是对传统绕线型电感器的一种改进,采用微小型工字型磁芯,将细的导线绕在软磁铁氧体磁芯上制成,外层一般用树脂封固(见图7)。这种类型的片式电感生产工艺简单、继承性强,体积小型化有限。但电性能优良(电感量大,品质因素高),适合于大电流通过,可靠性好。
4.3 片式电感与片式磁珠的区别
在《片式电磁兼容对策器件》话题中,片式电感主要用来抑制电磁干扰的发生。所以比较电感器与磁珠(包括片式电感与片式磁珠)也从这个主题出发。
电感器本身是一个无功元件,它在电路中不消耗能量。电感器能阻止高频信号在线路中流通,发挥抑制电磁干扰的作用,是因为电感器在高频下体现了一个高阻抗元件,阻止高频信号在线路中的流通,而将其反射回干扰源。就此应用范围来说,很少有超过50MHz的。
对磁珠来说,是一个串联在干扰流通线路上的软磁铁氧体磁芯。频率较低时,铁氧体磁珠在串联电路上仍体现为电感。而对更高频率的干扰,由于磁芯磁导率降低,导致电感量减小,感抗成分减小,故磁珠的电感对高频干扰阻挡作用在减少。而与此同时,磁芯的损耗(涡流损耗)却在增加。后者等效为损耗电阻,电阻成分的增加,导致磁珠在线路上的总阻抗仍在增加,所以当高频干扰通过铁氧体磁珠时,磁珠对高频干扰的阻挡作用仍在增加,不过此时的磁珠不再是将高频干扰反射回干扰源,而是把它转换成发热的形式给耗散掉了。
这样看来,电感器和磁珠在结构上没有本质性的不同,但是从抑制干扰的机理(依照抑制干扰的频率范围来划分)来说,两者明显是不同的,一个是将干扰反射回干扰源(指电感),另一个是将干扰吸收掉(指磁珠)。
4.4 片式共模电感器
在电子设备中,我们要抑制的电磁干扰无非是出现在信号线和电源线上的干扰,因此对于电磁兼容对策器件中的电感器,特别是片式电感器的适用形式也是从这两方面来分析。
4.4.1 信号线的滤波
我们对信号线的滤波主要是对付来自空间的干扰问题(包括从空间进入设备的干扰,和设备向空间发射的骚扰),信号线在这里起了被动天线(接收和发射两种天线)的作用,这说明信号线是电磁兼容的薄弱环节。由于从空间进入信号线的干扰(包括辐射、电磁感应和电容耦合)主要是共模的。基于这一原因,对于非屏蔽的信号线端口应当安装信号线滤波器(安装在信号线进出的交界面上),主要滤除频率相当高一些共模干扰信号。
4.4.2 电源线的滤波
在设备的电磁干扰传播途径中,电源线是最重要的媒介,因为电源线的长度(包括设备的电源进线和电力传输的架空线延伸)足以构成射频信号的被动天线。此外,电网内的各种设备开、关和运行中形成的干扰也在电网中肆意流传。上述干扰对电网内敏感设备的工作造成了威胁。射频信号在电源线上的传输是以两种模式进行的,一种是共模型式,在线—大地及中线—大地两个路径上出现;另一种是差模型式,在线—中线里传播。
电源线滤波器则被安插在电源线上,专门用来抑制射频信号传播的器件。电源线滤波器设计中往往不用差模电感,而采用共模电感。共模电感的两个线圈绕在同一磁芯上(同名端在线圈的同一侧),这种绕线方法对于差模电流(包括电源电流)产生的磁通相互抵消,不会产生磁路饱和;而对共模电流则体现一个很大的电感,取得大的滤波效果。要指出的是,共模电感器的两个线圈绕制不可能完全对称,因此共模电感器实际上还是残留一定程度的差模电感成分,对于差模干扰仍有一定程度抑制作用。
这样看来,无论是信号线或者是电源线,从抑制电磁干扰的角度出发,用得最多的还是共模抑制措施。因此,片式电感器用得最多的还是片式共模电感器。另外,电磁兼容对策器件生产商提供的电感器主要也是片式共模电感器。
4.4 片式共模电感器举例
以村田的片式共模电感为例,其中:
DLP S和DLP D系列薄膜型片式共模电感,共模阻抗为67~550Ω,在一个元件中含有一个双路工作的共模电感。可在不造成高速信号传输失真情况下实现差分信号的噪声抑制。
DLW21S 和DLW21H系列绕线型片式共模电感,共模阻抗为67~370Ω,可匹配阻抗为100Ω的线路;可以在不造成高速信号传输失真情况下实现差分信号的噪声抑制;小尺寸更实现了高密度装配。
还有一种DLW31S系列绕线型片式共模电感,共模阻抗为90~2200Ω,在高频时的高共模阻抗对噪声有极好的抑制功能。
上述共模电感被用于USB 2.0、IEEE1934、LVDS、 DVI、HDMI的高速差分信号线的共模噪声抑制。应用的产品有移动电话、笔记本电脑、数码相机、数码录像机、打印机、扫描仪、LED显示器、游戏机和电脑外围设备等。
DLM G系列叠层共模电感,可以同时实现共模和差模噪声的抑制。在100MHz时的共模阻抗为600Ω,差模阻抗为1200Ω。可采取高密度安装(窄中心距),用于个人移动通信设备(如移动电话的麦克风、扬声器和耳机),以及个人移动设备(如PDA、数码相机、MD播放机)的噪声抑制。
另一种,DLM2HG叠层共模电感,在100MHz时的共模阻抗为600Ω,内部含有三根连接线,可用于高品质的数字音乐设备的耳机线。特点是音频信号失真低,串音低,对共模和差模噪声均有抑制能力。用于DVD、MD播放机、笔记本电脑和PDA的耳机线。
DLW5AH/5BS系列高性能绕线型片式共模电感,其外形尺寸为5.0×5.0×4.5mm,共模阻抗达到190~4000Ω,通过电流为200mA~5A。由于100MHz时的共模阻抗最大值可达到4000Ω,实现了大的噪声抑制。另外,由于最大通过电流可达5A,非常适合于在电源线上使用。可用于便携设备的AC适配器中的直流电源线。
还有一种DLW5BT系列绕线型片式共模电感为薄型结构,外形尺寸为5.0×5.0×2.5mm。在100MHz时的共模阻抗最大值可达1400Ω,最大通过电流可达6A。尤其适合于DC-DC转换器、电池充电器等电源设备使用。
5 片式电容器
为了满足电子设备的整机向小型化、大容量化、高可靠性和低成本方向发展的需要,片式电容也在迅速地发展:种类不断增加,体积不断缩小,性能不断提高,技术不断进步,材料不断更新,轻薄短小系列产品已趋向于标准化和通用化。此外,为了适应线路高度集成化的要求,多功能复合片式电容器正成为技术研究热点。 
5.1 片式叠层陶瓷介质电容器
在片式电容器里用得最多的要数片式叠层陶瓷介质电容器(MLCC)了。
片式叠层陶瓷电容器,简称片式叠层电容器(或进一步简称为片式电容器),是由印好电极(内电极)的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来,经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片,再在芯片的两端封上金属层(外电极),形成独石结构,故也叫独石电容器,如图8所示。
图8表明,片式叠层陶瓷电容器是一个多层叠合的结构,其实质是多个简单平行板电容器的并联体。因此,该电容器的电容量计算公式为
C=NKA/t
式中,C为电容量;N为电极层数;K为介电常数(俗称K值);A为相对电极覆盖面积;t 为电极间距(介质厚度)。
由此式可见,为了实现片式叠层陶瓷电容器大容量和小体积的要求。只要增大N(增加层数)便可增大电容量。当然采用高K值材料(降低稳定性能)、增加A(增大体积)和减小t(降低电压耐受能力)也是可以采取别的办法。
其中介电常数K,取决于电容器中填充的陶瓷介质材料。电容器使用的环境温度、工作电压、工作频率以及长期工作的稳定性等对不同的介质会有不同的影响。通常介电常数(K值)越大,则稳定性、可靠性和耐用性便越差。
目前最常用的多层陶瓷电容器介质有三个类型:COG或NPO是超稳定材料,K值为10~100;X7R是较稳定的材料,K值为2000~4000;Y5V或Z5U为一般用途的材料,K值为5000~25000。
上述材料中,COG和NPO为超稳定材料,在-55℃~+125℃范围内电容器的容量变化不超过±30ppm/℃。
其余材料是按其工作温度的范围和电容量的变化率来命名的。详见表1:
表 1
下限温度(代码) 上限温度(代码) 电容量变化率(代码)
+10℃     (Z)
-30℃     (Y)
-50℃     (X) +45℃      (2)
+65℃      (4)
+85℃      (5)
+105℃    (6)
+125℃    (7) ±1.0%              (A)
±1.5%              (B)
±2.2%              (C)
±3.3%              (D)
±4.7%              (E)
±7.5%              (F)
±10%              (P)
±15%              (R)
±22%              (S)
+22~-33%    (T)
+22~-56%    (U)
+22~-82%    (V)

常用的介质材料中:
X7R代表使用温度范围为-50℃至+125℃;此范围内的电容量变化可达到±15%。
Z5U代表使用温度范围为+10℃至+85℃;此范围内的电容量变化从-56%至+22%。
Y5V代表使用温度范围为-30℃至+85℃;此范围内的电容量变化从-82%至+22%。
这些关系表明,对片式电容器选择不能一味只考虑体积和价格,如果有使用环境温度问题,还应当注意电容器的介质带来的电容量变化问题。图9画出了不同材质电容器电容量以及介质损耗随温度变化的曲线。
不同材质的电容器性能和应用事项是:
① NPO电容器
NPO电容器是电容量最稳定和介质损耗最小的电容器。在温度-55℃至+125℃的电容量变化为0±30ppm/℃;另外,电容量随频率及相对使用寿命的变化都非常小。
NPO电容器适合用于振荡器、谐振器的槽路电容,以及高频电路中的耦合电容。
② X7R电容器
X7R电容器被称为温度稳定型陶瓷电容器。在温度在-55℃至+125℃时的容量变化为15%,需要注意的是,此时电容器容量变化是非线性的。
X7R电容器的容量在不同的电压和频率条件下是不同的,也随时间的变化而变化,但是要比Z5U和Y5V电容器好得多。
X7R电容器主要用在电压要求不高的工业场合,而且电压变化所造成的容量变化是可以接受的条件下。它的主要特点是,相同的体积下(与NPO电容器比)电容量可以做得比较大。
③ Z5U电容器
Z5U电容器称为“通用”陶瓷片式电容器。它最主要优点的是小尺寸和低成本。在已经讲过的三种片式电容中,同样体积下,Z5U电容器具有最大的电容量。
但Z5U电容量受环境和工作条件影响较大,另外介质损耗可以达到3%。
尽管它的容量不稳定,但它特有的体积小、等效串联电感(ESL)和电阻(ESR)低、以及频率响应好的优点,使这种电容获得了广泛应用,特别是在退耦电路的应用。
④ Y5V电容器
Y5V电容器是有一定温度限制的通用电容器,在-30℃到+85℃范围内其容量变化可以达到+22%至-82%,另外,介质损耗可以达到5%。
但Y5V的高介电常数,允许在较小的物理尺寸下制造出高达4.7μF的电容器。
最后,说一说工作电压和储存时间对电容器容量变化的影响:
① 使用电压对电容器的电容量有影响。图10可见在施加额定电压后,有些电容器的电容量会大幅下降(如ZU5),有可能达不到使用效果。这同样说明在电容器上选择不能一味追求大容量和小体积,必须在容量和使用电压上留有充分余地。
② 储存时间对电容器的容量也有影响。
对超稳定的电容器,如COG和X7R,电容器随时间增长的容量变化不大。
可是Z5U/Y5V这类电容器,存放1000小时后的电容量变化可以达到5~10%,或更大。但电容器的容量老化是可逆的,每次将电容温度升到125℃,老化过程便重新开始。所以,这类电容器在长时间存放后所发生的容量偏低不属于产品质量问题,其特性是符合国际规范的。对容量偏低电容器,将其放在150℃左右的环境下预热1小时,其电容量就能得到恢复。
5.2 片式电容器在设备电磁干扰抑制中的应用
片式电容器在电子电路中的主要应用有:滤波、耦合、去耦、旁路、谐振、时间常数(定时)和反馈等。片式电容器在设备中电磁干扰抑制的应用,只是片式电容器的一个应用方面,为了突出电容器的 “对策”作用,才专门列成一节。其中,电源线路去耦和滤波也是设备电磁干扰抑制的一部分。此外还有信号线的共模滤波,信号线和电源线的辐射抑制等。
有时为了使片式电容干扰抑制的效果更加显现,还要与片式磁珠和片式电感器结合起来使用。现时还有一种将电容和电感综合在一个元件里的片式复合器件(见本文第六章:“片式高频噪声抑制组件”)可以供应,使用更方便,效果也更好。
5.3 片式电容器的线路形式
5.3.1 片式二端电容器
片式二端电容器是使用最普遍的片式电容器,这里特别说一说它与普通电容器的差异。
我们平常使用的陶瓷圆片电容器作为旁路电容,可以将高频干扰短路到地,达到抗干扰的目的。但是电容器的引线电感及电容内部的剩余电感却限制了它的高频特性发挥。图11画出了引线电感对电容器的高频特性影响例。图中可见,电容器的插入损耗开始随频率增加而增加,直至达到自谐振频率(等效电感与电容的串联谐振),插入损耗达到最大值。此后,由于等效电感的感抗增大,使插入损耗开始下降。为了使电容器在高频时也有较好的旁路作用,必须让旁路电容的自谐振频率要高,所以电容器的引线不能长。
片式二端电容器对于改进普通引线式电容器的自谐振问题很有好处,因为片式二端电容器的引线长度得到了最大限度缩减。只是电容器的内部结构,并不能够消除内部电极的残留电感,这样当频率达到使电容器的容抗XC同残留电感的XL的绝对值相等时,二端电容依然会产生自谐振,但是与普通有引线的二端电容相比较,还是有很大改进(谐振频率点向高端频率明显推移)。
在村田,片式电容器产品极其丰富,有一般的去耦和滤波用电容器(规格多、容量大,还有排容产品),还有一些特殊的电容器可以使用。
图12为GRM15/18/21/31系列的片式电容器的外形。
其中:
● GRM18/21/31系列片式电容器适合于波峰及回流焊接; GRM15系列只适合回流焊接。
● GRM15/18/21/31系列片式电容器备有长×宽×厚度为1.0×0.5×0.5mm至3.2×1.6×1.6mm的多种尺寸可供选用。
● GRM15/18/21/31系列片式电容器的适用电压包括6.3V、10V、16V、25V、50V、100V、200V和500V等多个等级;根据使用的介质材料分,有COG至Y5V等多种可以选择。
● GRM15/18/21/31系列片式电容器可用在一般用途的电子设备中。
村田还有一种排容,在一个器件中有2至4个电容器,尤其适合在单片机总线上使用,见图13。
5.3.2 片式三端电容器
在分离元件的电容器中还有一种贯通电容器,亦称为穿芯电容器,堪称是最理想的电容器。穿芯电容的结构是地电极围绕在介质周围,同时信号线通过介质。由于这种电容器的接地端面和信号端面都不存在剩余电感,因此它提供的插入损耗近乎是理想的(见图14,作为特性的比较,图中也给出了普通引线电容和三端电容的损耗特性)。
将穿芯电容的结构原理运用到片式电容器的制作上,这就是片式三端穿芯电容器。采用独石结构实现的片式多层穿心电容器,它纵向部分的一侧为信号的输入,另一侧为信号的输出,电容器的这种结构使信号通过整个芯片。电容器的接地端子开口在横向两侧。由于有两个信号端子和两个接地端子同时引出,而形成外观四端式结构,如图15所示。使用片式三端穿芯电容器时,横向侧的两个接地端子要同时接地。
图16给出了多种电容器的插入损耗和自谐振频率的比较。从图中可以看出片式三端电容的性能要明显优于片式二端电容器。
村田的NFM18C(1.8×0.8×0.6mm,16V,400~700mA)、NFM21C(2.0×1.25×0.8mm,50V,700~2000mA)、NFM3DC(3.2×1.25×0.7mm,50V,300mA)和NFM41C(4.5×1.8×1.0mm,100V,300mA)系列片式三端电容器(容量范围22、47、100、220、470、1000、2200、22000pF)可以将残留电感降到极低水平,使其对高频噪声有极好的抑制作用。常用在数字电路、计算机和外围设备中,也用在便携式的设备,如PDA、计算机卡和移动电话中。
图17为NFM21C系列外形、等效电路和插入损耗特性。
村田还有一种内部具有中心距为0.8mm的NFA31C系列片式三端电容器,为4个电路的排容,见图18,其外形尺寸为3.2×1.6×0.8mm,额定电压为25V,额定电流为200mA,静电容有22、47、100、220、470、1000、2200、22000pF等几种。由于三端结构有低的残留电感,因而适合于对高频噪声的抑制。4个电路采用共用的双端子简单接地,实现了极好的高频噪声抑制功能。可用在计算机和外围设备,便携式电话、PDA,以及DVD等设备上。尤其适合于数字输入/输出线的高频噪声抑制。
5.3.3 大电流片式三端电容器
村田的大电流NFM18P/21P/3DP/41P/55P系列片式三端电容器(视型号不同,外形尺寸从1.6×0.8×0.6mm至5.7×5×2.2mm,工作电压有6.3V,10V,16V和50V等数种,通过电流达到2~6A)。用在电脑、外设、掌上电脑、通信设备、数字电视和DVD等设备中高速IC电路电源线的噪声抑制。这里专门列为一节,以示它与前面三端电容器的区别。这种电容器的残留电感低、静电容大(静电容可选规格有0.1μF,0.22μF,0.47μF,1.0μF,1.5μF,2.2μF,4.7μF等数种),在宽频率范围内有很高的插入损耗,而小巧的外形尺寸更有利于高密度的安装。
5.3.4 片式平衡线滤波器
除了前述片式电容器外,英国SYFER公司还将两个Y电容器和一个X电容器集成在一起,构成一个片式叠层型X2Y电容组件,可同时抑制共模和差模噪声。被用在DC电源作为滤波器使用;也可以用在平衡线和双绞线上,抑制寄生在信号线上的共模和差模噪声,见图19。
SYFER的片式平衡线滤波器,根据尺寸不同,从16V至100V有数档可选择;片中电容C1=2C2,C2从50pF~600nF分成许多档次可以选择。SYFER公司的片式平衡线滤波器所采用的介质材料有COG和X7R两种,由于介电系数不同,同样尺寸下COG材料电容的容量要比X7R小很多。
片式平衡线滤波器的优点:
● 用一个元件取代两个或两个以上的电容和电感。减少了线路板上的元件数量,节省了线路板的使用面积,提高了组装的效率,有利于微型化。
● 内部结构特殊,残留电感非常低(一般的线-地电感仅为100pH,而线-线电感仅50pH),因此在高频工作时的性能尤其突出。
5.4 不同片式电容器的比较
表2是不同片式电容器的比较。

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