磁性纳米颗粒在生物医学上的应用

磁性纳米颗粒（magnetic nanoparticles, MNP）在生物医学领域有着广泛的应用范围[1, 2]，从磁共振成像的造影剂到用高热疗法来抑制癌细胞（图1）。大多数这些颇有前景的应用需要在MNP和活细胞间有确定可控的交互作用。最近发展了一种新 的直接涂覆的方法，可以来稳定纳米颗粒的功能。更重要的是，这种稳定功能的方法让我们可以根据所预期的应用来对涂覆层进行特殊可调节的处理，从而保证了它 们与细胞间的交互作用具有更好的可控性，这让我们看到了它们在药学上进一步应用的光明前景。

在生物医学上的应用
磁共振成像（MRI）•在疾病诊断领域的一个众所周知应用是使用MNP来作为造影剂用于磁共振成像MRI，该方式可以更好的区分健康的和病态的组 织，并且可以看到人体内各种不同的生物学上的变异。氧化铁磁性纳米颗粒MNP由于其具有低毒性已获得美国食品与药品管理局批准，被用于磁共振成像MRI信 号的增强。
磁性标记•另一种在诊断上的应用是对细胞、DNA和蛋白质等各种生物体来进行磁标记。一种有趣的应用是用来标记干细胞以对人体内移植干细胞的分 布及其变化情况进行无创伤的监测。此外，MNP与传统的标记方法，如酶、荧光染色、化学发光分子、放射性同位元素等相比，这种很有发展潜力的磁标记表现出 很多方面的优势。比如采用磁标记后的癌细胞可以在单一生物芯片表面进行净化、传送和探测，便于在实施芯片上实验室lab-on-a-chip时创建一个简 单、高性价比的癌细胞筛选和显示功能。

可控药物释放•MNP除了小尺寸和对人体的低毒性之外，所具备的另一个优势是可以在外磁场梯度的作用下运动，从而可渗透进人体组织的深处。通过这 种方式，就可以将药品可控地传送至人体的目标区域。实现这种应用的方法是将药物放入不具生物排斥性的MNP载体内，将这种铁磁流体注射到人体的血液中，然 后施加一个外磁场来使药物/载体的联合体能汇集到目标点上。作为一个实例，在癌症治疗中在使用细胞毒素药物时可使用这种方法。
高温疗法•另一种令人感兴趣的疗法是基于MNP能在随时间变化的磁场中被加热的性质。它的这种特性可用来“烧掉”癌细胞（高温疗法），它通常与 化疗配合使用。我们知道，当癌细胞的温度超过41℃时，与常态相比它们对温度更为敏感。这些应用都展现了靶目标治疗方法的美好前景，它使我们可以只破坏所 需要摧毁的目标，而不会对周围健康的组织产生损伤。
细胞隔离•最后，外磁场与MNP间的吸引作用可用来分离很多种类的生物体。比如说分离血液样品中的癌细胞或骨髓中的干细胞来改进诊断以及去除人 体内的毒素。此外，MNP在生物性能激活后可通过endocytotic途径来产生细胞摄取，从而可以来确定特定的细胞区室。一旦产生摄取，则所设定的细 胞体区室可以用磁场来进行隔离，以采用类蛋白体分析方法来进行精确的研究。
挑战
将以上讨论的这些在生物医学应用变为现实还存在两个方面的主要挑战：1）一个良好的用于制造直径小于20nm的单体分散性MNP的化学合成路线。 2）一个进行纳米颗粒表面功能化处理的良好方法[2]。后者决定了MNP在与活体细胞所发生可控交互作用的能力（图2）。这种交互行为的实现主要是将一层 生物配合基涂覆在纳米颗粒的表面，以在细胞表面形成某些特定的受体（即受体－媒介间的交互作用）。然而在某些情况下，细胞表面的化学功能也可能具有“亲和 性”（即非特定交互作用）。一旦与细胞表面碰触，纳米颗粒会滞留在细胞表面，或者会触发一种细胞“摄取”机制，此时纳米颗粒会被细胞膜吞没并进入细胞体内 （图2）。

MNP生产
在生物医学中所应用磁纳米颗粒必须具有均匀的大小并具备良好的单体分散性，这样才能使每个单独的纳米颗粒具有几乎相同的物理、化学性质[2]。大 多数单体分散MNP合成的一般原理是先在较快的时间内形成晶核，然后在已存在的晶核上进行较为缓慢的颗粒生长过程。在这种MNP的合成过程中所遇到的主要 困难是如何保持其在溶液中的稳定性，即不能产生任何的纳米颗粒凝聚现象。像所有的纳米颗粒一样，在MNP中经常可以观测到凝聚现象，这是由于纳米颗粒具有 极大的表面积－体积比以及它们具有很大的表面能。而且MNP在没有进行适当的稳定化处理时，它们之间还会发生磁的相互作用。
为了解决纳米颗粒的凝聚问题，必须产生一个很强的排斥力来中和由于磁引起的或其他与表面相关的吸引力。这种排斥力可以通过静电作用或原子空间位 置间的排斥作用来获得[2]。第一种方法在微粒表面涂覆离子化合物；第二种方法可以形成更为有效的稳定涂覆层，这个涂覆层使用了大分子材料，如高分子聚合 物、或含有碳氢长链的表面活性剂等。
在采用微乳液、共沉淀以及其他以基于水溶性方法的MNP在化学合成中有许多需要注意的问题[1, 3]。这些水溶性方法的缺点是所生成的MNP在尺寸均一性和结晶性方面都比较差，而且经常还可以看到纳米颗粒的凝聚现象。最近，Sun 等公司研发出一种新的、简单的化学合成工序[2-4]，可以合成产生高单体分散性、且具有高度结晶的MNP，其尺寸在3到20纳米之间，并且不会出现任何 纳米颗粒的凝聚迹象。
典型的合成工艺的流程包含有以下工艺：在诸如油酸这样的疏水配合体中采用高温（>220℃）来分解一种含有机铁成分的反应前驱体[2- 3]。上述疏水配合体在纳米颗粒表面形成致密的覆盖层，从而避免了它们之间的凝聚作用。该方法在经其他研究者进一步改进后，已用于包含各种不同材料，如 钴、锰、镍、铂金等MNP的合成[3]。虽然这种热分解方法在产生单体分散性和高结晶度上有着巨大的优势，但缺点也同样十分明显，由于其表面的那层疏水配 合基使得最后生成的纳米颗粒只能溶于无极性的溶剂。因此，要制造出适合于生物医学应用的MNP，疏水配合体涂层需要被既具有疏水性、又具有生物兼容性和功 能性的涂层所取代，只有这样的涂层才能与不同类型的生物体，如细胞、蛋白质、DNA之间产生可控的交互作用。

涂覆MNP
用亲水分子进行配合基的更换可用来替代上述MNP的疏水涂层。配合基交换方法需要向纳米颗粒溶液中添加过量的配合基来替代纳米颗粒表面的原有配合 基。采用这种方法研究小组发现将含有羟酸盐、磷酸盐、以及具有“醇”端的基团的亲水配合基涂覆在铁酸盐MNP表面，会使得纳米微粒变成水溶性。然而，这些 水溶性纳米颗粒的长期稳定性还没有得到进一步的证实，这是由于配合基与MNP间的化学键（非共价键）比较弱。
基于硅烷自组装单分子层技术在生物传感器应用中的经验[5]，IMEC最近设计出一套将硅烷单分子层涂覆在MNP上的流程（通过热分解方法） [6]。该方法的优点是具有良好的稳定性，具有水溶性和良好分散特性的MNP可以接受多种不同的官能团。这种能力使得调整纳米颗粒的表面功能成为可能，在 各种应用条件下可使之处于最优化状态。
对于硅烷配合基交换的系统性研究总共筛选了九种可商业化的硅烷单分子层，结果显示配合基交换是非常有效的[6]。原有的疏水配合基完全被硅烷自 组装单分子层所替换，形成一个致密有机层，对周围液体中显现出功能端基团end group。此外，研究还显示这种端基团的出现很大程度上决定了纳米颗粒在水中的分散特性。除了这九种不同的硅烷外，只有氨基、羟基酸和聚乙烯（乙烯基乙 二醇ethylene glycol）功能端基团可以使纳米颗粒在很大的PH范围内具有良好的水溶性（图3）。
在与通常用来稳定MNP性能的其他配合基进行比较后可以看到：它们具有更好的长期稳定性和抗弱酸和碱性环境的能力，之所以有这些特性是由于在纳米颗粒表面的硅烷层具有很强的共价键结构。
上文描述的功能化工艺与Sun公司合成MNP的方法相结合，最后可形成分散性好、水溶性（因而具有生物上的兼容性）的MNP，它可以根据特别的应用需求来方便地调整它的功能特性。

在活体细胞上的应用 br> 在生物医学上应用如磁共振成像（对比度增强）和癌细胞的高温疗法都需要MNP与人体细胞间的相互作用。由于纳米颗粒与大颗粒相比具有大得多的表面积－单位 体积比，因此纳米颗粒与周围环境有着大得多的接触界面，与周围环境的交互作用在很大程度上取决于纳米颗粒的表面涂覆层。曾经做过一个测试来观察按Sun合 成方法生长的纳米颗粒以及使用IMEC新的涂覆层工艺是否对细胞更具有“亲和力”。该项测试的完成是与比利时在Leuven的U.医院紧密合作下进行的。

采用了三种可以承受不同电荷的硅烷层来作为涂覆层，它们分别是NH2 、COOH和聚乙烯乙二醇（PEG），分别在电正性、负性和中性下进行实验。在这所有这些情况中，在细胞媒质如DMEM-F12中应用时，MNP显示了良 好的可溶性，尤其是在用来维持细胞的健康状态时。还测试了细胞媒质中的胎牛血清（FCS）对细胞交互作用的影响。
对MNP与活体细胞间交互作用的评估是基于采用磁标记和磁隔离的成功几率。成功几率非常之高，对媒质中70％～80％细胞都能够进行磁标记。图 4显示了详细的结果：1）当FCS作为细胞媒质时，只有NH2涂覆的纳米颗粒表现出很强的细胞交互作用。2）对没有FCS的媒质，只有COOH和PEG涂 覆的纳米颗粒可以实现磁标记。为了解释这样的结果，我们首先研究了FCS与纳米颗粒表面结合情况，发现NH2纳米颗粒与血清蛋白之间具有良好的结合性，而 在PEG与COOH纳米颗粒表面会排斥这些血清蛋白。这清楚地表面，细胞并不对NH2纳米颗粒呈现很强的亲和力，除非纳米颗粒是采用FCS 蛋白涂层。与上述情况相反，细胞则显示出对COOH和 PEG具有很强的亲和力。然而，当FCS在溶液中出现时，它会与纳米颗粒竞争并抑制与COOH和PEG纳米颗粒的相互作用。所有这些情况中没有纳米颗粒显 现出对活体细胞具有毒性，所观察到的细胞生存率>70%。

以上提到的这些结果清楚地表明：通过改变纳米颗粒的表面功能，在活体细胞与纳米颗粒间的交互作用就能够容易地加以控制。而且血清蛋白的存在能够触发或抑制非特定的交互作用，具体将取决于纳米颗粒表面的功能性。

结论
将Sun公司的热分解法制作高质量MNP和IMEC硅烷配合基交换涂覆纳米颗粒的工艺相结合被证明是成功的。该方法是一种普遍通用的合成高稳定性 水溶铁酸盐MNP的方法，得到的MNP具有可变的外围配合基和可调整的表面特性。此外，我们显示了在纳米颗粒与活体细胞间的非特定性交互作用确实是由纳米 颗粒表面的功能终端基团所决定。
使用上述实验技术，我们还无法来区分是细胞表面的结合还是细胞的摄取。下一步的研究工作将检查细胞摄取的作用，将涉及到细胞核内类蛋白体，这有 助于对Alzheimer疾病背后的生物化学机理提供更多基础性的了解。另外，在MRI靶向诊断和和高温癌症治疗中我们还将进一步研究把生物配合基用共价 耦联到纳米颗粒表面的方法。由于各种具有不同种类的硅烷表面功能性已进入商业化生产，我们能够容易地筛选、观察我们所能获得的终端官能团在一些特定应用中 的效率，这些应用范围包括了细胞隔离、医学成像、还有高温癌症疗法等。

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ARM开发工程师入门宝典

14:54:45 UTC+0800

Thu Oct 25 2007

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二极管的特性与应用

几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。

二极管的工作原理

晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n　结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。

当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。

当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。

二极管的类型

二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN结”。由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。

面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。

平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。

二极管的导电特性

二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。下面通过简单的实验说明二极管的正向特性和反向特性。

1、正向特性　
　　　　

在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能直正导通。导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。

2、反向特性

在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。

二极管的主要参数

用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标，称为二极管的参数。不同类型的二极管有不同的特性参数。对初学者而言，必须了解以下几个主要参数：

1、额定正向工作电流

是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度（硅管为140左右，锗管为90左右）时，就会使管芯过热而损坏。所以，二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。例如，常用的IN4001－4007型锗二极管的额定正向工作电流为1A。

2、最高反向工作电压

加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值。例如，IN4001二极管反向耐压为50V，IN4007反向耐压为1000V。

3、反向电流

反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系，大约温度每升高10，反向电流增大一倍。例如2AP1型锗二极管，在25时反向电流若为250uA，温度升高到35，反向电流将上升到500uA，依此类推，在75时，它的反向电流已达8mA，不仅失去了单方向导电特性，还会使管子过热而损坏。又如，2CP10型硅二极管，25时反向电流仅为5uA，温度升高到75时，反向电流也不过160uA。故硅二极管比锗二极管在高温下具有较好的稳定性。

测试二极管的好坏

初学者在业余条件下可以使用万用表测试二极管性能的好坏。测试前先把万用表的转换开关拨到欧姆档的RX1K档位（注意不要使用RX1档，以免电流过大烧坏二极管），再将红、黑两根表笔短路，进行欧姆调零。

1、正向特性测试

把万用表的黑表笔（表内正极）搭触二极管的正极，，红表笔（表内负极）搭触二极管的负极。若表针不摆到0值而是停在标度盘的中间，这时的阻值就是二极管的正向电阻，一般正向电阻越小越好。若正向电阻为0值，说明管芯短路损坏，若正向电阻接近无穷大值，说明管芯断路。短路和断路的管子都不能使用。

2、反向特性测试

把万且表的红表笔搭触二极管的正极，黑表笔搭触二极管的负极，若表针指在无穷大值或接近无穷大值，管子就是合格的。

二极管的应用

1、整流二极管

利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。

2、开关元件

二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。利用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。

3、限幅元件

二极管正向导通后，它的正向压降基本保持不变（硅管为0.7V，锗管为0.3V）。利用这一特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。

4、继流二极管

在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起继流作用。

5、检波二极管

在收音机中起检波作用。

6、变容二极管

使用于电视机的高频头中

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半导体二极管参数符号及其意义

CT---势垒电容
Cj---结（极间）电容， 表示在二极管两端加规定偏压下，锗检波二极管的总电容
Cjv---偏压结电容
Co---零偏压电容
Cjo---零偏压结电容
Cjo/Cjn---结电容变化
Cs---管壳电容或封装电容
Ct---总电容
CTV---电压温度系数。在测试电流下，稳定电压的相对变化与环境温度的绝对变化之比
CTC---电容温度系数
Cvn---标称电容
IF---正向直流电流（正向测试电流）。锗检波二极管在规定的正向电压VF下，通过极间的电流；硅整流管、硅堆在规定的使用条件下，在正弦半波中允许连续通过的最大工作电流（平均值），硅开关二极管在额定功率下允许通过的最大正向直流电流；测稳压二极管正向电参数时给定的电流
IF（AV）---正向平均电流
IFM（IM）---正向峰值电流（正向最大电流）。在额定功率下，允许通过二极管的最大正向脉冲电流。发光二极管极限电流。
IH---恒定电流、维持电流。
Ii--- 发光二极管起辉电流
IFRM---正向重复峰值电流
IFSM---正向不重复峰值电流（浪涌电流）
Io---整流电流。在特定线路中规定频率和规定电压条件下所通过的工作电流
IF(ov)---正向过载电流
IL---光电流或稳流二极管极限电流
ID---暗电流
IB2---单结晶体管中的基极调制电流
IEM---发射极峰值电流
IEB10---双基极单结晶体管中发射极与第一基极间反向电流
IEB20---双基极单结晶体管中发射极向电流
ICM---最大输出平均电流
IFMP---正向脉冲电流
IP---峰点电流
IV---谷点电流
IGT---晶闸管控制极触发电流
IGD---晶闸管控制极不触发电流
IGFM---控制极正向峰值电流
IR（AV）---反向平均电流
IR（In）---反向直流电流（反向漏电流）。在测反向特性时，给定的反向电流；硅堆在正弦半波电阻性负载电路中，加反向电压规定值时，所通过的电流；硅开关二极管两端加反向工作电压VR时所通过的电流；稳压二极管在反向电压下，产生的漏电流；整流管在正弦半波最高反向工作电压下的漏电流。
IRM---反向峰值电流
IRR---晶闸管反向重复平均电流
IDR---晶闸管断态平均重复电流
IRRM---反向重复峰值电流
IRSM---反向不重复峰值电流（反向浪涌电流）
Irp---反向恢复电流
Iz---稳定电压电流（反向测试电流）。测试反向电参数时，给定的反向电流
Izk---稳压管膝点电流
IOM---最大正向（整流）电流。在规定条件下，能承受的正向最大瞬时电流；在电阻性负荷的正弦半波整流电路中允许连续通过锗检波二极管的最大工作电流
IZSM---稳压二极管浪涌电流
IZM---最大稳压电流。在最大耗散功率下稳压二极管允许通过的电流
iF---正向总瞬时电流
iR---反向总瞬时电流
ir---反向恢复电流
Iop---工作电流
Is---稳流二极管稳定电流
f---频率
n---电容变化指数；电容比
Q---优值（品质因素）
δvz---稳压管电压漂移
di/dt---通态电流临界上升率
dv/dt---通态电压临界上升率
PB---承受脉冲烧毁功率
PFT（AV）---正向导通平均耗散功率
PFTM---正向峰值耗散功率
PFT---正向导通总瞬时耗散功率
Pd---耗散功率
PG---门极平均功率
PGM---门极峰值功率
PC---控制极平均功率或集电极耗散功率
Pi---输入功率
PK---最大开关功率
PM---额定功率。硅二极管结温不高于150度所能承受的最大功率
PMP---最大漏过脉冲功率
PMS---最大承受脉冲功率
Po---输出功率
PR---反向浪涌功率
Ptot---总耗散功率
Pomax---最大输出功率
Psc---连续输出功率
PSM---不重复浪涌功率
PZM---最大耗散功率。在给定使用条件下，稳压二极管允许承受的最大功率
RF（r）---正向微分电阻。在正向导通时，电流随电压指数的增加，呈现明显的非线性特性。在某一正向电压下，电压增加微小量△V，正向电流相应增加△I，则△V/△I称微分电阻
RBB---双基极晶体管的基极间电阻
RE---射频电阻
RL---负载电阻
Rs(rs)----串联电阻
Rth----热阻
R(th)ja----结到环境的热阻
Rz(ru)---动态电阻
R(th)jc---结到壳的热阻
r δ---衰减电阻
r(th)---瞬态电阻
Ta---环境温度
Tc---壳温
td---延迟时间
tf---下降时间
tfr---正向恢复时间
tg---电路换向关断时间
tgt---门极控制极开通时间
Tj---结温
Tjm---最高结温
ton---开通时间
toff---关断时间
tr---上升时间
trr---反向恢复时间
ts---存储时间
tstg---温度补偿二极管的贮成温度
a---温度系数
λp---发光峰值波长
△ λ---光谱半宽度
η---单结晶体管分压比或效率
VB---反向峰值击穿电压
Vc---整流输入电压
VB2B1---基极间电压
VBE10---发射极与第一基极反向电压
VEB---饱和压降
VFM---最大正向压降（正向峰值电压）
VF---正向压降（正向直流电压）
△VF---正向压降差
VDRM---断态重复峰值电压
VGT---门极触发电压
VGD---门极不触发电压
VGFM---门极正向峰值电压
VGRM---门极反向峰值电压
VF（AV）---正向平均电压
Vo---交流输入电压
VOM---最大输出平均电压
Vop---工作电压
Vn---中心电压
Vp---峰点电压
VR---反向工作电压（反向直流电压）
VRM---反向峰值电压（最高测试电压）
V（BR）---击穿电压
Vth---阀电压（门限电压）
VRRM---反向重复峰值电压（反向浪涌电压）
VRWM---反向工作峰值电压
V v---谷点电压
Vz---稳定电压
△Vz---稳压范围电压增量
Vs---通向电压（信号电压）或稳流管稳定电流电压
av---电压温度系数
Vk---膝点电压（稳流二极管）
VL ---极限电压

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正确的计算催生理想的电源电流变压器设计

         电流变压器测量电流或将能量从一个电路传输到另一个电路，所以其设计需要不同于相应电压变压器的计算。这种差异的原因在于，电流变压器磁化的电流是负载电流本身；而电压变压器则不同，它磁化的电流“独立”于负载电流，其数值是满负载时总体电流的一小部分。

我们想让电流源为负载(如白炽灯、电压稳压器或稳压二极管)提供电流I_L，从而生成初级线圈电流I_P(图1)。我们与电流源打交道，所以，若负载消耗电流，则负载电压由负载本身设定。

为设计电流变压器，我们需了解其磁核的形状、大小和材料，以及拟采用的匝数。之所以选择环型核是因其低的损耗及在初级和次级绕组间提供合适的磁通耦合(若匝数多得足以覆盖磁核表面大部分的话)。

根据安培定律，电流IP流过匝数为NP的绕组(图2)时，根据磁力线长度I_M将产生磁场，可由微分方程表示：

dIp×Np=H×dI_M (1)

假定采用环形磁核，对整个磁力线长度求积分，则得出：

Ip×Np=H×I_M (2)

其中，I_M为磁力线的中线长度，对环形磁核来说：

I_M=π×D_MED=π×(D_OUT+D_INN)/2 (3)

其中，D_MED为中线直径；D_OUT为环形磁核的外直径；D_INN为环形磁核的内直径。

磁场H在密度为B的核内产生磁通。磁通密度取决于核材料的相对渗透率μR；

其中，B=μR×μ0×H；μ0=4π10-7(H/米=真空渗透率)

Ip×Np=B/(μR×μO)×I_M

所以，公式2可重写为：Ip×Np=B/(μR×μO)×I_M (4)

为以最低损耗传输能量，磁核不应在能量传输持续时，产生过多损耗。换句话说，它不能饱和。因此，核磁通密度B不应超过饱和密度值BSAT。另外，产生BSAT的初级侧电流I_P应一直低于某一最大值I_PMAX。所以，公式4可重写为：

I_PMAX×Np=BSAT/(μR×μO)×I_M (5)

在我们的考虑中，我们与一个恒定电流打交道，该电流可认为是I_PMAX。所以，我们既可以为NP(尽可能覆盖核表面)指定一个值并计算出I_M ，然后再计算出核尺寸D_MED ；又可选择一个核并导出合适的NP。与μR一样，BSAT也可在核数据手册中查到。

我们不关心核的截面积。所以，我们可利用任何厚度的核，我们只关心核直径。

在描述电流变压器工作关系的公式：Ip×Np=I_L×Ns中，有一个悖逆。

其中，Ns=次级绕组的匝数。Ip是固定的，所以，次级侧的负载电流也是固定的：

IL=Ip×(Np/Ns) (6)

它意味着，若减少次级绕组的匝数，我们可得到更大的次级电流。也即，若我们必须以高一半电流等级的产品替换次级侧的电珠(Electric Bulb)，我们应从次级绕组中减去几匝。

另外，若我们用该变压器提供某些电路原理图(Electronic Schematic)布置，我们应了解其消耗的电流IL并在次级侧绕上适当的匝数，它可由公式7得出。当发生过压或次级感应电压高于允许值时，一个合理的稳压二极管应能保护该原理图免于过压。

所以，在给定NP时，利用公式5，我们可容易地得到核大小，或确定在具有中线长度lM的给定核上将缠绕多少匝的初级绕组NP。例如，若电流源为负载产生1.2A的Ip，而我们必须点亮1.7A的白炽灯，则需为该安排重新设计一个新的变压器。

Np=(BSAT/μR×μ0)×lM/I_PMAX=0.28/(4π10-7×3000)×29.5×10-3/1.2=5.736turns

首先，我们应得到一个适合该应用的核。设其为一个36×23×8mm的环形核，其D_MED=29.5mm。假定该核的相对渗透率是3,000，且BSAT=0.28T。我们知道，l_M=π×D_MED。所以从公式5，我们可容易地确定初级侧可允许的匝数NP。因此，

Np=(BSAT/μR×μ0)×lM/I_PMAX=0.28/(4π10-7×3000)×29.5×10-3/1.2=5.736turns

假定NP=6匝，因选取的磁通密度饱和值远低于最大值，也即存在一个安全余裕，所以该NP值一般是安全的。

利用公式6，可容易地确定次级绕组的匝数为4.235圈，所以，次级绕组的匝数是4。假定能量传输中可能出现的损失，我们可确认该值与设计匹合的非常好。

显然，在次级电流应低于初级电流的情况，次级侧的匝数应高于初级侧的匝数。这就是为什么旨在进行大电流测量的电流变压器在次级侧绕很多圈的原因。

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项目经理的基本能力

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如何提高电子产品的抗干扰能力和电磁兼容性

在研制带处理器的电子产品时，如何提高抗干扰能力和电磁兼容性？
1、 下面的一些系统要特别注意抗电磁干扰：(1) 微控制器时钟频率特别高，总线周期特别快的系统。
(2) 系统含有大功率，大电流驱动电路，如产生火花的继电器，大电流开关等。
(3) 含微弱模拟信号电路以及高精度A/D变换电路的系统。

2、 为增加系统的抗电磁干扰能力采取如下措施：
(1) 选用频率低的微控制器：
     选用外时钟频率低的微控制器可以有效降低噪声和提高系统的抗干扰能力。同样频率的方波和正弦波，方波中的高频成份比正弦波多得多。虽然方波的高频成份的波的幅度，比基波小，但频率越高越容易发射出成为噪声源，微控制器产生的最有影响的高频噪声大约是时钟频率的3倍。

(2) 减小信号传输中的畸变
      微控制器主要采用高速CMOS技术制造。信号输入端静态输入电流在1mA左右，输入电容10PF左右，输入阻抗相当高，高速CMOS电路的输出端都有相当的带载能力，即相当大的输出值，将一个门的输出端通过一段很长线引到输入阻抗相当高的输入端，反射问题就很严重，它会引起信号畸变，增加系统噪声。当Tpd＞Tr时，就成了一个传输线问题，必须考虑信号反射，阻抗匹配等问题。信号在印制板上的延迟时间与引线的特性阻抗有关，即与印制线路板材料的介电常数有关。可以粗略地认为，信号在印制板引线的传输速度，约为光速的1/3到1/2之间。微控制器构成的系统中常用逻辑电话元件的Tr（标准延迟时间）为3到18ns之间。
      在印制线路板上，信号通过一个7W的电阻和一段25cm长的引线，线上延迟时间大致在4~20ns之间。也就是说，信号在印刷线路上的引线越短越好，最长不宜超过25cm。而且过孔数目也应尽量少，最好不多于2个。当信号的上升时间快于信号延迟时间，就要按照快电子学处理。此时要考虑传输线的阻抗匹配，对于一块印刷线路板上的集成块之间的信号传输，要避免出现Td＞Trd的情况，印刷线路板越大系统的速度就越不能太快。用以下结论归纳印刷线路板设计的一个规则：信号在印刷板上传输，其延迟时间不应大于所用器件的标称延迟时间。

(3) 减小信号线间的交叉干扰：
      A点一个上升时间为Tr的阶跃信号通过引线AB传向B端。信号在AB线上的延迟时间是Td。在D点，由于A点信号的向前传输，到达B点后的信号反射和AB线的延迟，Td时间以后会感应出一个宽度为Tr的页脉冲信号。在C点，由于AB上信号的传输与反射，会感应出一个宽度为信号在AB线上的延迟时间的两倍，即2Td的正脉冲信号。这就是信号间的交叉干扰。干扰信号的强度与C点信号的di/at有关，与线间距离有关。当两信号线不是很长时，AB上看到的实际是两个脉冲的迭加。
       CMOS工艺制造的微控制由输入阻抗高，噪声高，噪声容限也很高，数字电路是迭加100~200mv噪声并不影响其工作。若图中AB线是一模拟信号，这种干扰就变为不能容忍。如印刷线路板为四层板，其中有一层是大面积的地，或双面板，信号线的反面是大面积的地时，这种信号间的交叉干扰就会变小。原因是，大面积的地减小了信号线的特性阻抗，信号在D端的反射大为减小。特性阻抗与信号线到地间的介质的介电常数的平方成反比，与介质厚度的自然对数成正比。若AB线为一模拟信号，要避免数字电路信号线CD对AB的干扰，AB线下方要有大面积的地，AB线到CD线的距离要大于AB线与地距离的2~3倍。可用局部屏蔽地，在有引结的一面引线左右两侧布以地线。

(4) 减小来自电源的噪声
     电源在向系统提供能源的同时，也将其噪声加到所供电的电源上。电路中微控制器的复位线，中断线，以及其它一些控制线最容易受外界噪声的干扰。电网上的强干扰通过电源进入电路，即使电池供电的系统，电池本身也有高频噪声。模拟电路中的模拟信号更经受不住来自电源的干扰。

(5) 注意印刷线板与元器件的高频特性
     在高频情况下，印刷线路板上的引线，过孔，电阻、电容、接插件的分布电感与电容等不可忽略。电容的分布电感不可忽略，电感的分布电容不可忽略。电阻产生对高频信号的反射，引线的分布电容会起作用，当长度大于噪声频率相应波长的1/20时，就产生天线效应，噪声通过引线向外发射。
     印刷线路板的过孔大约引起0.6pf的电容。一个集成电路本身的封装材料引入2~6pf电容。一个线路板上的接插件，有520nH的分布电感。一个双列直扦的24引脚集成电路扦座，引入4~18nH的分布电感。这些小的分布参数对于这行较低频率下的微控制器系统中是可以忽略不计的；而对于高速系统必须予以特别注意。

(6) 元件布置要合理分区
     元件在印刷线路板上排列的位置要充分考虑抗电磁干扰问题，原则之一是各部件之间的引线要尽量短。在布局上，要把模拟信号部分，高速数字电路部分，噪声源部分（如继电器，大电流开关等）这三部分合理地分开，使相互间的信号耦合为最小。

G 处理好接地线
     印刷电路板上，电源线和地线最重要。克服电磁干扰，最主要的手段就是接地。对于双面板，地线布置特别讲究，通过采用单点接地法，电源和地是从电源的两端接到印刷线路板上来的，电源一个接点，地一个接点。印刷线路板上，要有多个返回地线，这些都会聚到回电源的那个接点上，就是所谓单点接地。所谓模拟地、数字地、大功率器件地开分，是指布线分开，而最后都汇集到这个接地点上来。与印刷线路板以外的信号相连时，通常采用屏蔽电缆。对于高频和数字信号，屏蔽电缆两端都接地。低频模拟信号用的屏蔽电缆，一端接地为好。对噪声和干扰非常敏感的电路或高频噪声特别严重的电路应该用金属罩屏蔽起来。

(7) 用好去耦电容。
      好的高频去耦电容可以去除高到1GHZ的高频成份。陶瓷片电容或多层陶瓷电容的高频特性较好。设计印刷线路板时，每个集成电路的电源，地之间都要加一个去耦电容。去耦电容有两个作用：一方面是本集成电路的蓄能电容，提供和吸收该集成电路开门关门瞬间的充放电能；另一方面旁路掉该器件的高频噪声。数字电路中典型的去耦电容为0.1uf的去耦电容有5nH分布电感，它的并行共振频率大约在7MHz左右，也就是说对于10MHz以下的噪声有较好的去耦作用，对40MHz以上的噪声几乎不起作用。1uf，10uf电容，并行共振频率在20MHz以上，去除高频率噪声的效果要好一些。在电源进入印刷板的地方和一个1uf或10uf的去高频电容往往是有利的，即使是用电池供电的系统也需要这种电容。每10片左右的集成电路要加一片充放电电容，或称为蓄放电容，电容大小可选10uf。最好不用电解电容，电解电容是两层溥膜卷起来的，这种卷起来的结构在高频时表现为电感，最好使用胆电容或聚碳酸酝电容。去耦电容值的选取并不严格，可按C=1/f计算；即10MHz取0.1uf，对微控制器构成的系统，取0.1~0.01uf之间都可以。

3、 降低噪声与电磁干扰的一些经验。
(1) 能用低速芯片就不用高速的，高速芯片用在关键地方。
(2) 可用串一个电阻的办法，降低控制电路上下沿跳变速率。
(3) 尽量为继电器等提供某种形式的阻尼。
(4) 使用满足系统要求的最低频率时钟。
(5) 时钟产生器尽量靠近到用该时钟的器件。石英晶体振荡器外壳要接地。
(6) 用地线将时钟区圈起来，时钟线尽量短。
(7) I/O驱动电路尽量靠近印刷板边，让其尽快离开印刷板。对进入印制板的信号要加滤波，从高噪声区来的信号也要加滤波，同时用串终端电阻的办法，减小信号反射。
(8) MCD无用端要接高，或接地，或定义成输出端，集成电路上该接电源地的端都要接，不要悬空。
(9) 闲置不用的门电路输入端不要悬空，闲置不用的运放正输入端接地，负输入端接输出端。

(10)印制板尽量使用45折线而不用90折线布线以减小高频信号对外的发射与耦合。
(11) 印制板按频率和电流开关特性分区，噪声元件与非噪声元件要距离再远一些。
(12) 单面板和双面板用单点接电源和单点接地、电源线、地线尽量粗，经济是能承受的话用多层板以减小电源，地的容生电感。
(13) 时钟、总线、片选信号要远离I/O线和接插件。
(14) 模拟电压输入线、参考电压端要尽量远离数字电路信号线，特别是时钟。
(15) 对A/D类器件，数字部分与模拟部分宁可统一下也不要交叉。
(16) 时钟线垂直于I/O线比平行I/O线干扰小，时钟元件引脚远离I/O电缆。
(17) 元件引脚尽量短，去耦电容引脚尽量短。
(18) 关键的线要尽量粗，并在两边加上保护地。高速线要短要直。
(19) 对噪声敏感的线不要与大电流，高速开关线平行。
(20) 石英晶体下面以及对噪声敏感的器件下面不要走线。
(21) 弱信号电路，低频电路周围不要形成电流环路。
(22) 任何信号都不要形成环路，如不可避免，让环路区尽量小。
(23) 每个集成电路一个去耦电容。每个电解电容边上都要加一个小的高频旁路电容。
(24) 用大容量的钽电容或聚酷电容而不用电解电容作电路充放电储能电容。使用管状电容时，外壳要接
地。

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中国EMC相关制度和标准

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55 UTC+0800Thu Jun 21 2007

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开关电源设计规范

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产品EMC工程师必须掌握的八大技能

1、EMC的基本测试项目以及测试过程掌握；
2、产品对应EMC的标准掌握；
3、产品的EMC整改定位思路掌握；
4、产品的各种认证流程掌握；
5、产品的硬件知识，对电路（主控、接口）了解；
6、EMC设计整改元器件（电容、磁珠、滤波器、电感、瞬态抑制器件等）使用掌握；
7、产品结构屏蔽设计技能掌握；
8、对EMC设计如何介入产品各个研发阶段流程掌握；

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