多層壓敏電阻：緊湊耐用型過(guò)壓保護(hù)

作者：時(shí)間：2018-08-02 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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過(guò)壓及相關(guān)聯(lián)的高浪涌電流能損害甚至損壞電氣和電子設(shè)備，因此，可靠的過(guò)壓保護(hù)必不可少。目前TDK集團(tuán)基于一種新型陶瓷材料開(kāi)發(fā)了一款高浪涌系列多層壓敏電阻，該系列電阻不僅尺寸緊湊，且具有卓越的保護(hù)性能。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/201808/384992.htm

影響電氣設(shè)備的過(guò)壓其產(chǎn)生有多種原因，能量等級(jí)也不同，并可通過(guò)不同的途徑引入。比如，根據(jù)IEC 61000-4-2測(cè)量的ESD脈沖主要影響通信設(shè)備的輸入/輸出，其中，測(cè)試等級(jí)為8 kV (接觸放電)或15 kV(空氣放電)。相關(guān)脈沖波形的特征是以納秒為單位的電壓上升，然而該脈沖的能量含量相對(duì)較低，僅為幾個(gè)毫焦耳。

為了防止ESD事件發(fā)生，TDK集團(tuán)提供了多種用于不同電壓的小型CeraDiode?壓敏電阻(SMD封裝)，最小封裝尺寸僅為0.4 mm x 0.2 mm，其插入高度極低，僅為0.1 mm。也就是說(shuō)，這些壓敏電阻非常適合智能手機(jī)、平板電腦和可穿戴設(shè)備等移動(dòng)以及尺寸日益緊湊的各種應(yīng)用。

另一種過(guò)壓主要通過(guò)電源線引入，可能由于附近的雷擊或負(fù)載脫落引起。這些事件能引起長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)納秒的幾千安的浪涌電流。情況最壞時(shí)，這些脈沖的能量能達(dá)到幾千焦耳，比ESD事件還要高幾倍。根據(jù)IEC 61000-4-5，對(duì)組件承受這些高能量脈沖的能力進(jìn)行了測(cè)試，短路電流波形為8/20 μs，開(kāi)路電壓波形為1.2/50 μs(圖1)。

圖1：符合IEC 61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)的脈沖波形

短路電流測(cè)試(8/20 μs)

開(kāi)路電壓測(cè)試(1.2/50 μs)

為了充分防止這些事件發(fā)生，保護(hù)設(shè)備的設(shè)計(jì)必須考慮可能產(chǎn)生的漏地電流和相應(yīng)的能量級(jí)別。從這方面來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)壓敏電阻的尺寸相對(duì)更大。

新型陶瓷材料使得設(shè)計(jì)更緊湊為了改進(jìn)多層壓敏電阻的性能和緊湊性，TDK集團(tuán)為新型高浪涌系列多層壓敏電阻開(kāi)發(fā)了一種新型陶瓷材料。該新型材料改進(jìn)后的性能基于ZnO壓敏電阻摻雜了更多的一種特殊的金屬氧化物，從而產(chǎn)生了細(xì)粒狀結(jié)構(gòu)的陶瓷材料，每個(gè)單位體積產(chǎn)生的晶界也明顯增多。因此，相同的組件有效體積內(nèi)電流密度可能增加三倍多。與此同時(shí)，相對(duì)介電常數(shù)增加了幾倍，使得電場(chǎng)強(qiáng)度 (E ) 也顯著增加(相同體積，看圖2)。

圖2：傳統(tǒng)和新型陶瓷材料的比較

由于ZnO壓敏電阻陶瓷摻雜了特殊的金屬氧化物從而形成細(xì)粒狀結(jié)構(gòu)，新型愛(ài)普科斯 (EPCOS) 多層壓敏電阻具有更高的電場(chǎng) 強(qiáng)度。其好處是雙重的：一方面，相同組件體積內(nèi)可集成更多的內(nèi)部電極，因而可改進(jìn)高浪涌性能;另一方面，相同性能可在更小組件上實(shí)現(xiàn)，使得壓敏電阻的進(jìn)一步小型化成為可能。

借助改進(jìn)的電氣性能，目前可通過(guò)增加內(nèi)電極的數(shù)量來(lái)設(shè)計(jì)具有更高電壓級(jí)別的壓敏電阻，并顯著增加組件的浪涌電流能力或在尺寸大幅度減小的組件上實(shí)現(xiàn)所需性能。浪涌電流能力為1200 A (8/20 μs) 的標(biāo)準(zhǔn)壓敏電阻是按照EIA外殼尺寸為2220進(jìn)行生產(chǎn)。通過(guò)使用新型陶瓷材料，TDK集團(tuán)已經(jīng)通過(guò)EIA外殼尺寸為1210的高浪涌系列組件成功獲得相同性能，其體積相應(yīng)減少了三倍多。由于小型化在這些應(yīng)用中扮演著日益重要的角色，新型壓敏電阻非常適合物聯(lián)網(wǎng) (IoT)或工業(yè)4.0應(yīng)用。

鉗位電壓越低，性能越好由于TDK集團(tuán)新型陶瓷材料允許的電場(chǎng)強(qiáng)度更高，內(nèi)電極數(shù)更多，還有可能降低組件的鉗位電壓。組件上產(chǎn)生特殊浪涌電流時(shí)，如果過(guò)壓事件發(fā)生就會(huì)產(chǎn)生鉗位電壓。對(duì)于相同電流，壓敏電阻上的鉗位電壓越高，電氣功率也越高，最終壓敏電阻必須吸收的能量也越高。反過(guò)來(lái)說(shuō)，鉗位電壓越低，吸收相同能量所需的電流能力越強(qiáng)。

比如，電流為10 A時(shí)，愛(ài)普科斯 (EPCOS) 現(xiàn)有浪涌保護(hù)系列CN2220K50E2GK2多層壓敏電阻的鉗位電壓為135 V。與之相比，鉗位電壓相同(圖3)時(shí)，使用改進(jìn)型陶瓷材料的愛(ài)普科斯 (EPCOS) 高浪涌低鉗位型CT2220S50E3G的浪涌電流能力可以達(dá)到400 A。因此，新型壓敏電阻的防護(hù)等級(jí)顯著提高。

圖3：相同鉗位電壓時(shí)浪涌電流能力更強(qiáng)

新型愛(ài)普科斯 (EPCOS) 高浪涌/低鉗位型壓敏電阻鉗位電壓為135V時(shí)通過(guò)的浪涌電流可以達(dá)到400 A.

元件越少，保護(hù)越強(qiáng)

在實(shí)際應(yīng)用中，為了借助SMD多層壓敏電阻獲得盡可能高的浪涌電流能力，通常將幾個(gè)組件并聯(lián)。然而，由于壓敏電阻的電壓容差高達(dá)±20%，對(duì)于這些應(yīng)用很有必要使用彼此精確匹配的組件。反過(guò)來(lái)說(shuō)，這也是一個(gè)相當(dāng)大的成本因素。另外一個(gè)缺陷是盡管容差范圍很窄，不同元件在電氣特征方面還是略有差別。因此，發(fā)生過(guò)壓時(shí)，各組件承受的電流不同，偶爾由于負(fù)載過(guò)大引起壓敏電阻故障。

借助新型TDK陶瓷材料，目前可能生產(chǎn)具有高浪涌電流能力的壓敏電阻，該壓敏電阻能針對(duì)單個(gè)組件提供必要的保護(hù)。因此，除了改進(jìn)可靠性，還可能大幅減少組件數(shù)，這樣不僅可節(jié)省印刷電路板的寶貴空間，還能降低材料和組裝成本。