随着信息产业不断朝高速化与高密度化的发展,使得系统中电磁干扰(Electromagnetic Interference;EMI)的问题也越来越严重,这些干扰不但可能使系统本身产生错误动作,亦可能藉由辐射或传导的方式,而影响到邻近系统的正常操作。对于这些干扰,如美、日、欧盟及我国等各国,均订定相关的EMC法规加以约束,只有符合规范的产品方能在该国境内销售。因此现今信息电子产品上市前,通过电磁干扰相关法规的认证已是必经的程序。
然而在电子产品的数字化趋势下,EMI的问题更为严重,因为数字信号本身的高次谐波与电路切换时产生的各种高频噪声,皆为不可避免的噪声,并会透过空气辐射或是藉由电源线或外围联机传导至邻近电子设备(图一)(a)。以个人计算机为例,其频率信号、数据信号、切换式电源供应器等,皆是噪声的来源之一。积层式芯片磁珠(Multi-layer Chip Beads)、电容及共模滤波器(Common Mode Filter)等滤波组件,因为具有体积小与便于安装的优点,故已被广泛使用于EMI防制(图一)(b)。接下来便针对这三种常用的EMI抑制组件做进一步的介绍。
积层芯片磁珠
积层芯片磁珠为一种由磁性材料制成的组件,其电性与电感相似,但在高频时会有较大的损失,因此较电感更适于用来滤除EMI噪声。磁珠的工作原理很简单,在低频时磁珠阻抗极低而可让信号通过,而在高频时磁珠阻抗急剧上升而恰可阻挡噪声通过(图二);因此,将积层芯片磁珠串接于线路上,将可获得优良的滤波效果。磁珠的优点之一,是在高频时阻抗主要为电阻性,故大部分的噪声通过磁珠时会被转为热而散逸。在数字电路中,接地面往往含有许多的噪声而非为零电位,因此与电容相比,芯片磁珠还具有另一项优点,便是在使用时是与线路串联,并不需要接地,故在接地面情况极差之场合亦可以使用,不必担心是否会有噪声由接地面透过组件而传至信号线路上。
不论是一般的电感或者是芯片磁珠,由于原件内部有不可避免的杂散电容,故当频率超过自我共振频率(Self Resonant Frequency;S.R.F)之后,组件将转为电容性,此时磁珠的阻抗将会随着频率上升而下降。目前一般磁珠的自我共振频率大都在100MHz至400MHz之间,因此在1GHz附近的滤波效果并不理想。因此,目前已有厂商推出自我共振频率比一般磁珠延后数百MHz的新型磁珠,使得在1GHz附近的阻抗提升为原来的三倍以上,因此可更有效抑制频率在1GHz附近的噪声。
为符合信息产业的多元化发展所衍生的各项需求,积层芯片磁珠的制造商已开发出各种具有不同特性的磁珠,(图三)为常见磁珠的阻抗特性比较图。一般而言,磁珠是以100MHz的阻抗值为规格,而由图三我们可以发现,单是100MHz的阻抗值,并无法完全描述该磁珠的特性,因为图中的三颗磁珠在100MHz的阻抗值均为120奥姆,但在其它的频段却具有全然不同的阻抗特性。因此,用户必须由信号与噪声的分布,选择一个最适当的磁珠,才可达到最佳的噪声抑制效果。依照磁珠的发展历史,A型磁珠是最早被发展出来的,但随着电路操作频率的提升,A型磁珠由于在高频时阻抗过大,会使得信号本身被衰减,故有B型产品的推出。B型产品与A型产品最大的差异,在于B型产品的阻抗在100MHz前较A型为低,而在100MHz之后阻抗急剧上升,故可适用于更高频的信号。而R型产品则是在低于100MHz的频段区间,具有最高阻抗的磁珠,故适用于更低频的信号线。此外,由于R型磁珠的电阻性较A、B为高,故可更有效用于抑制振铃(Ringing)噪声的产生。
对于IC的电源线路而言,由于必须供给IC足够的操作电流,故其电流可能为一般信号线路的数倍以上,若是使用一般的芯片磁珠,则可能因为电流过大而使得磁珠发热甚至于烧毁;此外,亦有可能因为磁珠的压降过大,而使得在IC端的电压不符合IC的操作规范。用于此类电源线路的磁珠称为P型,与其它类型的磁珠相比,P型磁珠具有极低的直流电阻值,仅约为其它型磁珠的1/10,故当电源信号通过时,只会产生很小的压降,同时亦不会有严重发热的情况发生。此外如IC的接地接脚、数字/模拟接地连接处均可采用P型的磁珠来抑制高频噪声。目前的积层式芯片磁珠的额定电流大都小于6安培,若是线路的电流高于6安培,则必须改使用绕线式的组件方能符合需求。
电容器
电容的特性恰与与磁珠相反,其阻抗会随着频率的增加而下降,因此将电容并接于线路上时,将可达到滤除噪声的效果。在低频时电容的阻抗大,因此信号将不会流经电容;在高频时电容的阻抗变小,故大部分的高频噪声会流经电容而旁路(Bypass)至地(图四)。但是对于实际的电容而言,由于本身有寄生电感,故在高频时组件会由电容性转为电感性,亦即频率在自我共振频率点之后的阻抗会随着频率上升而变大(图五),因此当频率超过电容自我共振频率后,将会随着频率的上升而逐渐失去旁路的效果。为了改善寄生电感造成的非理想性,一般而言可在该电容旁并联一个小电容,以改善高频时对于噪声的旁路效果。此外,可以用三端子芯片电容或一般的芯片电容来取代接脚式的电容,因为它们没有引出接脚所造成的电感效应,将会有更佳的高频特性。