壓敏電阻原理概述

壓敏電阻原理概述ZnO壓敏電阻實(shí)際上是一種伏安特性呈非線性的敏感元件，在正常電壓條件下，這相當(dāng)于一只小電容器，而當(dāng)電路出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)，它的內(nèi)阻急劇下降并迅速導(dǎo)通，其工作電流增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而有效地保護(hù)了電路中的其它元器件不致過(guò)壓而損壞，它的伏安特性是對(duì)稱(chēng)的，如圖(l)a所示。這種元件是利用陶瓷工藝制成的，它的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)如圖(l)b所示。微觀結(jié)構(gòu)中包括氧化鋅晶粒以及晶粒周?chē)木Ы鐚?。氧化鋅晶粒的電阻率很低，而晶界層的電阻率卻很高，相接觸的兩個(gè)晶粒之間形成了一個(gè)相當(dāng)于齊納二極管的勢(shì)壘，這就是一壓敏電阻單元，每個(gè)單元擊穿電壓大約為3.5V,如果將許多的這種單元加以串聯(lián)和并聯(lián)就構(gòu)成了壓敏電阻的基體。串聯(lián)的單元越多，其擊穿電壓就超高，基片的橫截面積越大，其通流容量也越大。壓敏電阻在工作時(shí)，每個(gè)壓敏電阻單元都在承受浪涌電能量，而不象齊納二極管那樣只是結(jié)區(qū)承受電功率，這就是壓敏電阻為什么比齊納二極管能承受大得多的電能量的原因。+I團(tuán)(1)壓敏電阻在電路中通常并接在被保護(hù)電器的輸入端，如圖(2)所示。壓敏電阻的Zv與電路總阻抗(包括浪涌源阻抗Zs)構(gòu)成分壓器，因此壓敏電阻的限制電壓為V=VsZv/(Zs+Zv)。Zv的阻值可以從正常時(shí)的兆歐級(jí)降到幾歐，甚至小于1Q。由此可見(jiàn)Zv在瞬間流過(guò)很大的電流，過(guò)電壓大部分降落在Zs上，而用電器的輸入電壓比較穩(wěn)定,因而能起到的保護(hù)作用。圖(3)所示特性曲線可以說(shuō)明其保護(hù)原理。直線段是總阻抗Zs，曲線是壓敏電阻的特性曲線，兩者相交于點(diǎn)Q,即保護(hù)工作點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的限制電壓為V,它是使用了壓敏電阻后加在用電器上的工作電壓。Vs為浪涌電壓，它已超過(guò)了用電器的耐壓值VL,加上壓敏電阻后，用電器的工作電壓V小于耐壓值VL,從而有效地保護(hù)了用電器。不同的線路阻抗具有不同的保護(hù)特性，從保護(hù)效果來(lái)看，Zs越大，其保護(hù)效果就越好，若Zs=0,即電路阻抗為零，壓敏電阻就不起保護(hù)作用了。圖4)所描述的曲線可以說(shuō)明Zs與保護(hù)特性之間的關(guān)系。壓敏電阻是一種限壓型保護(hù)器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當(dāng)過(guò)電壓出現(xiàn)在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個(gè)相對(duì)固定的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。壓敏電阻的主要參數(shù)有：壓敏電壓、通流容量、結(jié)電容、響應(yīng)時(shí)間等。壓敏電阻的響應(yīng)時(shí)間為ns級(jí)，比空氣放電管快，比TVS管稍慢一些，一般情況下用于電子電路的過(guò)電壓保護(hù)其響應(yīng)速度可以滿(mǎn)足要求。壓敏電阻的結(jié)電容一般在幾百到幾千pF的數(shù)量級(jí)范圍，很多情況下不宜直接應(yīng)用在高頻信號(hào)線路的保護(hù)中，應(yīng)用在交流電路的保護(hù)中時(shí)，因?yàn)槠浣Y(jié)電容較大會(huì)增加漏電流，在設(shè)計(jì)防護(hù)電路時(shí)需要充分考慮。壓敏電阻的通流容量較大，但比氣體放電管小。壓敏電阻的壓敏電壓(min(UlmA))、通流容量是電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的。在直流回路中，應(yīng)當(dāng)有：min(UlmA)3(1.8~2)Udc,式中Ude為回路中的直流額定工作電壓。在交流回路中，應(yīng)當(dāng)有：min(UlmA)>(2.2?2.5)Uac,式中Uac為回路中的交流工作電壓的有效值。上述取值原則主要是為了保證壓敏電阻在電源電路中應(yīng)用時(shí)，有適當(dāng)?shù)陌踩６?。在信?hào)回路中時(shí)，應(yīng)當(dāng)有：min(U1mA)>(1.2?1.5)Umax,式中Umax為信號(hào)回路的峰值電壓。壓敏電阻的通流容量應(yīng)根據(jù)防雷電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)來(lái)定。一般而言，壓敏電阻的通流容量要大于等于防雷電路設(shè)計(jì)的通流容量。壓敏電阻主要可用于直流電源、交流電源、低頻信號(hào)線路、帶饋電的天饋線路。壓敏電阻的失效模式主要是短路，當(dāng)通過(guò)的過(guò)電流太大時(shí)，也可能造成閥片被炸裂而開(kāi)路。壓敏電阻使用壽命較短，多次沖擊后性能會(huì)下降。因此由壓敏電阻構(gòu)成的防雷器長(zhǎng)時(shí)間使用后存在維護(hù)及更換的問(wèn)題。在消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中，為了追求較小的安裝面積，壓敏電阻做成疊層型，稱(chēng)為Multi-layerVaristor(MLV)其結(jié)構(gòu)與疊層型的瓷片電容(MLCC)完全相同，只是叉指電極間的材料不是普通的陶瓷電介質(zhì)，而是ZnO壓敏材料。也因?yàn)槿绱?，MLV都是具有一定的電容特性的，甚至可以根據(jù)需要定制具有某種容量的MLV，這對(duì)于防護(hù)設(shè)計(jì)中兼顧EMI設(shè)計(jì)是非常有利的。由于做成疊層結(jié)構(gòu)后，MLV的電極寄生電感非常小，因此其反應(yīng)速度與TVS不相伯仲，甚至比某些采用Bonding結(jié)構(gòu)的TVS的速度還要快。在電流容量上，得益于疊層結(jié)構(gòu)，MLV的通流能力也要比相同體積的TVS大得多。MLV的鉗位特性曲線不如TVS陡峭，不能實(shí)現(xiàn)精確的鉗位；MLV在多次大電流沖擊

后，性能會(huì)出現(xiàn)一定程度的退化，主要表現(xiàn)是漏電流增大，鉗位電壓有所變化。不過(guò)，如果MLV僅用于ESD防護(hù)，上述兩個(gè)缺點(diǎn)對(duì)防護(hù)效果的影響是很小的。這也是為什么MLV能在手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等領(lǐng)域大行。氧化鋅壓敏電阻與被保護(hù)的電器設(shè)備或者元器件并聯(lián)使用。當(dāng)電路中出現(xiàn)雷電過(guò)電壓或瞬態(tài)操作電壓VS時(shí)，壓敏電阻器和被保護(hù)的設(shè)備及元器件同時(shí)承受VS，由于壓敏電阻器響應(yīng)速度很快，它以納秒級(jí)時(shí)間迅速呈現(xiàn)優(yōu)良非線形導(dǎo)電特性，此時(shí)壓敏電阻器兩端電壓迅速下降，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于VS,這樣被保護(hù)的設(shè)備及元器件上實(shí)際承受的電壓就遠(yuǎn)低于過(guò)電壓VS,從而使設(shè)備及元器件免遭過(guò)電壓的沖擊。壓敏電阻器常常與被保護(hù)器件或裝置并聯(lián)使用，在正常情況下，壓敏電阻器兩端的直流或交流電壓應(yīng)低于標(biāo)稱(chēng)電壓，即使在電源波動(dòng)情況最壞時(shí)，也不應(yīng)高于額定值中選擇的最大連續(xù)工作電壓，該最大連續(xù)工作電壓值所對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱(chēng)電壓值即為選用值。選用壓敏電阻器前，應(yīng)先了解以下相關(guān)技術(shù)參數(shù)：標(biāo)稱(chēng)電壓是指在規(guī)定的溫度和直流電流下，壓敏電阻器兩端的電壓值。漏電流是指在25°C條件下，當(dāng)施加最大連續(xù)直流電壓時(shí)，壓敏電阻器中流過(guò)的電流值。等級(jí)電壓是指壓敏電阻中通過(guò)8／20等級(jí)電流脈沖時(shí)在其兩端呈現(xiàn)的電壓峰值。通流量是表示施加規(guī)定的脈沖電流(8/20“S波形時(shí)的峰值電流。浪涌環(huán)境參數(shù)包括最大浪涌電流Ipm(或最大浪涌電壓Vpm和浪涌源阻抗Zo)、浪涌脈沖寬度Tt、相鄰兩次浪涌的最小時(shí)間間隔Tm以及在壓敏電阻器的預(yù)定工作壽命期內(nèi)，浪涌脈沖的總次數(shù)N等。標(biāo)稱(chēng)電壓選取一般地說(shuō)，壓敏電阻器常常與被保護(hù)器件或裝置并聯(lián)使用，在正常情況下，壓敏電阻器兩端的直流或交流電壓應(yīng)低于標(biāo)稱(chēng)電壓，即使在電源波動(dòng)情況最壞時(shí)，也不應(yīng)高于額定值中選擇的最大連續(xù)工作電壓，該最大連續(xù)工作電壓值所對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱(chēng)電壓值即為選用值。對(duì)于過(guò)壓保護(hù)方面的應(yīng)用，壓敏電壓值應(yīng)大于實(shí)際電路的電壓值，一般應(yīng)使用下式進(jìn)行選擇：VmA=av/be式中：a為電路電壓波動(dòng)系數(shù)，一般取1.2；v為電路直流工作電壓(交流時(shí)為有效值)；b為壓敏電壓誤差，一般取0.85；e為元件的老化系數(shù)，一般取0.9；這樣計(jì)算得到的VmA實(shí)際數(shù)值是直流工作電壓的1.5倍，在交流狀態(tài)下還要考慮峰值，因此計(jì)算結(jié)果應(yīng)擴(kuò)大1．414倍。另外，選用時(shí)還必須注意：必須保證在電壓波動(dòng)最大時(shí)，連續(xù)工作電壓也不會(huì)超過(guò)最大允許值，否則將縮短壓敏電阻的使用壽命；在電源線與大地間使用壓敏電阻時(shí)，有時(shí)由于接地不良而使線與地之間電壓上升，所以通常采用比線與線間使用場(chǎng)合更高標(biāo)稱(chēng)電壓的壓敏電阻器。壓敏電阻所吸收的浪涌電流應(yīng)小于產(chǎn)品的最大通流量。選用壓敏電阻器,還要了解保護(hù)用壓敏電阻的基本性能保護(hù)特性，當(dāng)沖擊源的沖擊強(qiáng)(或沖擊電流lsp=Usp/Zs)不超過(guò)規(guī)定值時(shí)，壓敏電阻的限制電壓不允許超過(guò)被保護(hù)對(duì)象所能承受的沖擊耐電壓(Urp)o耐沖擊特性，即壓敏電阻本身應(yīng)能承受規(guī)定的沖擊電流，沖擊能量，以及多次沖擊相繼出現(xiàn)時(shí)的平均功率。壽命特性有兩項(xiàng)，一是連續(xù)工作電壓壽命，即壓敏電阻在規(guī)定環(huán)境溫度和系統(tǒng)電壓條件應(yīng)能可靠地工作規(guī)定的時(shí)間(小時(shí)數(shù))。二是沖擊壽命，即能可靠地承受規(guī)定的沖擊的次數(shù)。壓敏電阻介入系統(tǒng)后，除了起到"安全閥"的保護(hù)作用外，還會(huì)帶入一些附加影響，這就是所謂"二次效應(yīng)”，它不應(yīng)降低系統(tǒng)的正常工作性能。這時(shí)要考慮的因素主要有三項(xiàng)，一是壓敏電阻本身的電容量(幾十到幾萬(wàn)PF),二是在系統(tǒng)電壓下的漏電流，三是壓敏電阻的非線性電流通過(guò)源阻抗的耦合對(duì)其他電路的影響。所謂壓敏電壓，即擊穿電壓或閾值電壓。指在規(guī)定電流下的電壓值，大多數(shù)情況下用1mA直流電流通入壓敏電阻器時(shí)測(cè)得的電壓值，其產(chǎn)品的壓敏電壓范圍可以從10—9000V不等?？筛鶕?jù)具體需要正確選用/壓敏電阻用字母“MY表示，如加J為家用，后面的字母W、G、P、L、H、Z、B、C、N、K分別用于穩(wěn)壓、過(guò)壓保護(hù)、高頻電路、防雷、滅弧、消噪、補(bǔ)償、消磁、高能或高可靠等方面。壓敏電阻雖然能吸收很大的浪涌電能量，但不能承受毫安級(jí)以上的持續(xù)電流，在用作過(guò)壓保護(hù)時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)。壓敏電阻的選用，一般考慮標(biāo)稱(chēng)壓敏電壓V1mA和通流容量?jī)蓚€(gè)參數(shù)。1、 所謂壓敏電壓，即擊穿電壓或閾值電壓。指在規(guī)定電流下的電壓值，大多數(shù)情況下用1mA直流電流通入壓敏電阻器時(shí)測(cè)得的電壓值，其產(chǎn)品的壓敏電壓范圍可以從10—9000V不等。可根據(jù)具體需要正確選用。一般V1mA=1.5Vp=2.2VAC,式中，Vp為電路額定電壓的峰值。VAC為額定交流電壓的有效值。ZnO壓敏電阻的電壓值選擇是至關(guān)重要的，它關(guān)系到保護(hù)效果與使用壽命。如一臺(tái)用電器的額定電源電壓為220V，則壓敏電阻電壓值V1mA=1.5Vp=1.5xx220V=476V，V1mA=2.2VAC=2.2x220V=484V,因此壓敏電阻的擊穿電壓可選在470—480V之間。2、 所謂通流容量，即最大脈沖電流的峰值是環(huán)境溫度為25°C情況下，對(duì)于規(guī)定的沖擊電流波形和規(guī)定的沖擊電流次數(shù)而言，壓敏電壓的變化不超過(guò)±10％時(shí)的最大脈沖電流值。