壓敏電阻選用的基本知識

什么是壓敏電阻器及其分類與參數?

（一）壓敏電阻器的種類
壓敏電阻器可以按結構、制造過程、使用材料和伏安特性分類。
1．按結構分類? 壓敏電阻器按其結構可分為結型壓敏電阻器、體型壓敏電阻器、單顆粒層壓敏電阻器和薄膜壓敏電阻器等。
結型壓敏電阻器是因為電阻體與金屬電極之間的特殊接觸，才具有了非線性特性，而體型壓敏電阻器的非線性是由電阻體本身的半導體性質決定的。
2．按使用材料分類? 壓敏電阻器按其使用材料的不同可分為氧化鋅壓敏電阻器、碳化硅壓敏電阻器、金屬氧化物壓敏電阻器、鍺（硅）壓敏電阻器、鈦酸鋇壓敏電阻器等多種。
3．按其伏安特性分類? 壓敏電阻器按其伏安特性可分為對稱型壓敏電阻器（無極性）和非對稱型壓敏電阻器（有極性）。

（二）壓敏電阻器的結構特性與作用
1．壓敏電阻器的結構特性? 壓敏電阻器與普通電阻器不同，它是根據半導體材料的非線性特性制成的。
圖1-22是壓敏電阻器外形，其內部結構如圖1-23所示。

普通電阻器遵守歐姆定律，而壓敏電阻器的電壓與電流則呈特殊的非線性關系。當壓敏電阻器兩端所加電壓低于標稱額定電壓值時，壓敏電阻器的電阻值接近無窮大，內部幾乎無電流流過。當壓敏電阻器兩端電壓略高于標稱額定電壓時，壓敏電阻器將迅速擊穿導通，并由高阻狀態變為低阻狀態，工作電流也急劇增大。當其兩端電壓低于標稱額定電壓時，壓敏電阻器又能恢復為高阻狀態。當壓敏電阻器兩端電壓超過其最大限制電壓時，壓敏電阻器將完全擊穿損壞，無法再自行恢復。

2．壓敏電阻器的作用與應用? 壓敏電阻器廣泛地應用在家用電器及其它電子產品中，起過電壓保護、防雷、抑制浪涌電流、吸收尖峰脈沖、限幅、高壓滅弧、消噪、保護半導體元器件等作用。
圖1-24是壓敏電阻器的典型應用電路。

（三）壓敏電阻器的主要參數
壓敏電阻器的主要參數有標稱電壓、電壓比、最大控制電壓、殘壓比、通流容量、漏電流、電壓溫度系數、電流溫度系數、電壓非線性系數、絕緣電阻、靜態電容等。
1．壓敏電壓： 所謂壓敏電壓，即擊穿電壓或閾值電壓。指在規定電流下的電壓值，大多數情況下用1mA直流電流通入壓敏電阻器時測得的電壓值，其產品的壓敏電壓范圍可以從10－9000V不等。可根據具體需要正確選用。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重要的，它關系到保護效果與使用壽命。如一臺用電器的額定電源電壓為220V，則壓敏電阻電壓值V1mA=1.5Vp=1.5×1.414×220V=476V，V1mA=2.2VAC=2.2×220V=484V，因此壓敏電阻的擊穿電壓可選在470－480V之間。MYG05K規定通過的電流為0.1mA，MYG07K、MYG10K、MYG14K、MYG20K標稱電壓是指通過1mA直流電流時，壓敏電阻器兩端的電壓值。

2．最大允許電壓（最大限制電壓）：此電壓分交流和直流兩種情況，如為交流，則指的是該壓敏電阻所允許加的交流電壓的有效值，以ACrms表示，所以在該交流電壓有效值作用下應該選用具有該最大允許電壓的壓敏電阻，實際上V1mA與ACrms間彼此是相互關聯的，知道了前者也就知道了后者，不過ACrms對使用者更直接，使用者可根據電路工作電壓，可以直接按ACrms來選取合適的壓敏電阻。在交流回路中，應當有：min(U1mA) ≥(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用時，有適當的安全裕度。對直流而言在直流回路中，應當有：min(U1mA) ≥(1.6～2)Udc，式中Udc為回路中的直流額定工作電壓。在交流回路中，應當有：min(U1mA) ≥(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用時，有適當的安全裕度。在信號回路中時，應當有：min(U1mA)≥(1.2～1.5)Umax，式中Umax為信號回路的峰值電壓。壓敏電阻的通流容量應根據防雷電路的設計指標來定。一般而言，壓敏電阻的通流容量要大于等于防雷電路設計的通流容量。

3．通流容量： 所謂通流容量，即最大脈沖電流的峰值是環境溫度為25℃情況下，對于規定的沖擊電流波形和規定的沖擊電流次數而言，壓敏電壓的變化不超過± 10％時的最大脈沖電流值。為了延長器件的使用壽命，ZnO壓敏電阻所吸收的浪涌電流幅值應小于手冊中給出的產品最大通流量。然而從保護效果出發，要求所選用的通流量大一些好。在許多情況下，實際發生的通流量是很難精確計算的。簡單的講-通流容量也稱通流量，是指在規定的條件（以規定的時間間隔和次數，施加標準的沖擊電流）下，允許通過壓敏電阻器上的最大脈沖（峰值）電流值。一般過壓是一個或一系列的脈沖波。實驗壓敏電阻所用的沖擊波有兩種，一種是為8/20μs波，即通常所說的波頭為8μs波尾時間為20μs的脈沖波，另外一種為2ms的方波，如下圖所示：

4．最大限制電壓：? 最大限制電壓是指壓敏電阻器兩端所能承受的最高電壓值，它表示在規定的沖擊電流Ip通過壓敏電阻時次兩端所產生的電壓此電壓又稱為殘壓，所以選用的壓敏電阻的殘壓一定要小于被保護物的耐壓水平Vo,否則便達不到可靠的保護目的，通常沖擊電流Ip值較大，例如2.5A或者10A，因而壓敏電阻對應的最大限制電壓Vc相當大，例如MYG7K471其Vc=775(Ip=10A時)。

5．最大能量(能量耐量)：? 壓敏電阻所吸收的能量通常按下式計算W=kIVT(J)
其中I——流過壓敏電阻的峰值
??? V——在電流I流過壓敏電阻時壓敏電阻兩端的電壓
??? T——電流持續時間
??? k——電流I的波形系數
對：
??? 2ms的方波?? k=1
??? 8/20μs波?? k=1.4
??? 10/1000μs? k=1.4
?? 壓敏電阻對2ms方波，吸收能量可達330J每平方厘米；對8/20μs波，電流密度可達2000A每立方厘米，這表明他的通流能力及能量耐量都是很大的
?? 一般來說壓敏電阻的片徑越大，它的能量耐量越大，耐沖擊電流也越大，選用壓敏電阻時還應當考慮經常遇到能量較小、但出現頻率次數較高的過電壓，如幾十秒、一兩分鐘出現一次或多次的過電壓，這時就應該考慮壓敏電阻所能吸收的平均功率。


6．電壓比：? 電壓比是指壓敏電阻器的電流為1mA時產生的電壓值與壓敏電阻器的電流為0.1mA時產生的電壓值之比。

7．額定功率： 在規定的環境溫度下所能消耗的最大功率。

8．最大峰值電流 一次：以8/20μs標準波形的電流作一次沖擊的最大電流值，此時壓敏電壓變化率仍在±10%以內。2次：以8/20μs標準波形的電流作兩次沖擊的最大電流值，兩次沖擊時間間隔為5分鐘，此時壓敏電壓變化率仍在±10%以內。

9．殘壓比：? 流過壓敏電阻器的電流為某一值時，在它兩端所產生的電壓稱為這一電流值為殘壓。殘壓比則的殘壓與標稱電壓之比。

10．漏電流：? 漏電流又稱等待電流，是指壓敏電阻器在規定的溫度和最大直流電壓下，流過壓敏電阻器的電流。

11．電壓溫度系數：? 電壓溫度系數是指在規定的溫度范圍（溫度為20~70℃）內，壓敏電阻器標稱電壓的變化率，即在通過壓敏電阻器的電流保持恒定時，溫度改變1℃時壓敏電阻兩端的相對變化。

12．電流溫度系數：? 電流溫度系數是指在壓敏電阻器的兩端電壓保持恒定時，溫度改變1℃時，流過壓敏電阻器電流的相對變化。

13．電壓非線性系數：? 電壓非線性系數是指壓敏電阻器在給定的外加電壓作用下，其靜態電阻值與動態電阻值之比。

14．絕緣電阻：? 絕緣電阻是指壓敏電阻器的引出線（引腳）與電阻體絕緣表面之間的電阻值。

15．靜態電容：? 靜態電容是指壓敏電阻器本身固有的電容容量。



-(0k 3$9eU ?
2 壓敏電阻器的應用原理 B5_><|( ?
壓敏電阻器是一種具有瞬態電壓抑制功能的元件，可以用來代替瞬態抑制二極管、齊納二極管和電容器的組合。壓敏電阻器可以對IC及其它設備的電路進行保護，防止因靜電放電、浪涌及其它瞬態電流（如雷擊等）而造成對它們的損壞。使用時只需將壓敏電阻器并接于被保護的IC或設備電路上，當電壓瞬間高于某一數值時，壓敏電阻器阻值迅速下降，導通大電流，從而保護IC或電器設備；當電壓低于壓敏電阻器工作電壓值時，壓敏電阻器阻值極高，近乎開路，因而不會影響器件或電器設備的正常工作。 een'WWl ?
壓敏電阻器的應用廣泛,壓敏電阻主要可用于直流電源、交流電源、低頻信號線路、帶饋電的天饋線路。從手持式電子產品到工業設備，其規格與尺寸多種多樣。隨著手持式電子產品的廣泛使用，尤其是手機、手提電腦、PDA、數字相機、醫療儀器等，其電路系統的速度要求更高，并且要求工作電壓更低，這就對壓敏電阻器提出了體積更小、性能更高的要求。因此，表面組裝的壓敏電阻器元件也就開始大量涌現，而其銷售年增長率要高于有引線的壓敏電阻器一倍多。 +bKzzB' ?
預計2002年壓敏電阻器的市場增長率為13％，其中，多層片式壓敏電阻器市場增長率為20％～30％，徑向引線產品增長率為5％～10％。需求主要來自于電源設備，包括DC電源設備、不間斷電源，以及新的消費類電子產品，如數字音頻/視頻設備、視頻游戲，數字相機等。片式壓敏電阻器已占美國市場銷售總額的40％～45％。（0402）尺寸的片式壓敏電阻器最受歡迎。0201尺寸的產品尚未上市。AVX公司的0402片式壓敏電阻器有5.6V、9V、14V和18V等幾種電壓范圍的產品，它們的額定功率為50mJ,典型電容值范圍從90pF(18V的產品)～360pF(5.6V的產品)。MaidaDevelopment公司也生產片式系列的壓敏電阻器，但目前只推出了非標準尺寸的產品，1210、1206、0805、0603和0402的產品正在試產。 eBfyQu ?
Littelfuse公司在2000年底前推出0201的產品。AVX和Littelfuse公司已推出電壓抑制器陣列，如AVX推出的Multiguard系列四聯多層陶瓷瞬態電壓抑制器陣列（即壓敏電阻器陣列）已經被市場接納。可節省50％的板上空間，75％的生產裝配成本。Multiguad系列采用1206型規格。其中有一種雙聯元件采用0805規格，工作電壓有5.6V、9V、14V和18V等幾種，額定功率為0.1J。AVX公司推出Transfeed多層陶瓷瞬態電壓抑制器。該產品綜合了公司Transguard系列壓敏電阻器和Feedthru系列電容器/濾波器的功能。采用0805規格。該組件具有性能優勢，更快的導通時間（或稱響應時間，在200ps～250ps之間）和更小的并行系數。 6z^X']0 ?
Littelfuse制造的MLN浪涌陣列組件1206規格，內裝4只多層壓敏電阻器。該產品的ESD達到IEC671000－4－2第四級水平。其主要特性包括：感抗(1nH)，相鄰通道串擾典型值50dB（頻率1MHz時），在額定電壓工作狀態下，漏電流為5A,工作電壓高達18V，電容值可由用戶指定。這種MLN貼片組件可用于板級ESD保護，應用領域包括手持式產品、電腦產品、工業及醫療儀器等。 lZ prD= ?
EPCOS公司推出了T4N－A230XFV集成浪涌抑制器，內含兩只壓敏電阻器和一種短路裝置。該產品用于電信中心局和用戶線一側的通信設備保護。 PS;6g$NM ?
= 9q(%s\ ?
3.壓敏電阻的選用 ?

1、氧化鋅壓敏電阻器應用原理

??壓敏電阻是一種限壓型保護器件。利用壓敏電阻的非線性特性，當過電壓出現在壓敏電阻的兩極間，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實現對后級電路的保護。壓敏電阻的主要參數有：壓敏電壓、通流容量、結電容、響應時間等。
??? 壓敏電阻的響應時間為ns級，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電壓保護其響應速度可以滿足要求。壓敏電阻的結電容一般在幾百到幾千pF的數量級范圍，很多情況下不宜直接應用在高頻信號線路的保護中，應用在交流電路的保護中時，因為其結電容較大會增加漏電流，在設計防護電路時需要充分考慮。壓敏電阻的通流容量較大，但比氣體放電管小。
?? 壓敏電阻器與被保護的電器設備或元器件并聯使用。當電路中出現雷電過電壓或瞬態操作過電壓Vs時，壓敏電阻器和被保護的設備及元器件同時承受Vs，由于壓敏電阻器響應速度很快，它以納秒級時間迅速呈現優良非線性導電特性(見圖3中擊穿區)，此時壓敏電阻器兩端電壓迅速下降，遠遠小于Vs，這樣被保護的設備及元器件上實際承受的電壓就遠低于過電壓Vs，從而使設備及元器件免遭過電壓的沖擊。

2、氧化鋅壓敏電阻器壓敏電壓的選擇

?? 根據被保護電源電壓選擇壓敏電阻器的規定電流下的電壓V1mA。一般選擇原則為：
對于直流回路：V1mA≥2.0VDC
對于交流回路：V1mA≥2.2V有效值

?? 特別指出對于壓敏電阻壓敏電壓的選擇標準是要高于供電電壓，在能夠滿足可以保護需要保護器件的的同時，盡可能選擇壓敏電壓高的壓敏電阻，這樣不僅可以保護器件，也能提高壓敏電阻的使用壽命。比如要保護的器件耐壓為Vdc=550Vdc,器件的工作電壓V=300Vdc,那么我們選擇壓敏電阻就應該是壓敏電壓為470V的壓敏電阻，壓敏電壓范圍是(423-517)，壓敏電壓最大負誤差470-47=423Vdc大于器件的供電電壓300Vac，最大正誤差為470+47=517Vdc小于器件的耐壓550Vdc。

選用時還必須注意：
（1）必須保證在電壓波動最大時，連續工作電壓也不會超過最大允許值，否則將縮短壓敏電阻的使用壽命；
（2）在電源線與大地間使用壓敏電阻時，有時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合更高標稱電壓的壓敏電阻器。

3、通流量的選取

????通常產品給出的通流量是按產品標準給定的波形、沖擊次數和間隙時間進行脈沖試驗時產品所能承受的最大電流值。而產品所能承受的沖擊數是波形、幅值和間隙時間的函數，當電流波形幅值降低50％時沖擊次數可增加一倍，所以在實際應用中，壓敏電阻所吸收的浪涌電流應小于產品的最大通流量。

4、應用

????圖1所示是采用壓敏電壓器進行電路浪涌和瞬變防護時的電路連接圖。對于壓敏電阻的應用連接，大致可分為四種類型：
???? 第一種類型是電源線之間或電源線和大地之間的連接，如圖1（a）所示。作為壓敏電阻器，最具有代表性的使用場合是在電源線及長距離傳輸的信號線遇到雷擊而使導線存在浪涌脈沖等情況下對電子產品起保護作用。一般在線間接入壓敏電阻器可對線間的感應脈沖有效，而在線與地間接入壓敏電阻則對傳輸線和大地間的感應脈沖有效。若進一步將線間連接與線地連接兩種形式組合起來，則可對浪涌脈沖有更好的吸收作用。
???? 第二種類型為負荷中的連接，見圖1（b）。它主要用于對感性負載突然開閉引起的感應脈沖進行吸收，以防止元件受到破壞。一般來說，只要并聯在感性負載上就可以了，但根據電流種類和能量大小的不同，可以考慮與R－C串聯吸收電路合用。
???? 第三種類型是接點間的連接，見圖1（c）。這種連接主要是為了防止感應電荷開關接點被電弧燒壞的情況發生，一般與接點并聯接入壓敏電阻器即可。
　　第四種類型主要用于半導體器件的保護連接，見圖1（d）。這種連接方式主要用于可控硅、大功率三極管等半導體器件，一般采用與保護器件并聯的方式，以限制電壓低于被保護器件的耐壓等級，這對半導體器件是一種有效的保護。

5、選型原則

?? 如果電器設備耐壓水平Vo較低，而浪涌能量又比較大，則可選擇壓敏電壓V1mA較低、片徑較大的壓敏電阻器；如果Vo較高，則可選擇壓敏電壓V1mA較高的壓敏電阻器，這樣既可以保護電器設備，又能延長壓敏電阻使用壽命。
? 壓敏電阻器主要應用于各種電子產品的過電壓保護電路中，它有多種型號和規格。所選壓敏電阻器的主要參數（包括標稱電壓、最大連續工作電壓、最大限制電壓、通流容量等）必須符合應用電路的要求，尤其是標稱電壓要準確。標稱電壓過高，壓敏電阻器起不到過電壓保護作用，標稱電壓過低，壓敏電阻器容易誤動作或被擊穿。

6、氧化鋅壓敏電阻器的使用方法
?? 壓敏電阻器是一種無極性過電壓保護元件，無論是交流還是直流電路，只需將壓敏電阻器與被保護電器設備或元器件并聯即可達到保護設備的目的(如圖4所示)
???

???? 當過電壓幅值高于規定電流下的電壓，過電流幅值小于壓敏電阻器的最大峰值電流時(若無壓敏電阻器足以使設備元器件破壞)，壓敏電阻器處于擊穿區，可將過電壓瞬時限制在很低的幅值上，此時通過壓敏電阻器的浪涌電流幅值不大(<100A/cm2),不足以對壓敏電阻器產生劣化；當過電壓幅值很高時，壓敏電阻器將過電壓限制在較低的水平上(小于設備的耐壓水平)，同時通過壓敏電阻器的沖擊電流很大，使壓敏電阻器性能劣化即將失效，這時通過熔斷器的電流很大，熔斷器斷開，這樣既可使電器設備、元器件免受過電壓沖擊，也可避免由于壓敏電阻器的劣化擊穿造成線路L-N、L-PE之間短路(推薦的熔斷器規格見表1)。

??????????????????????????????????????????????????????

??? 壓敏電阻器在電路的過電壓防護中，如果正常工作在圖3的預擊穿區和擊穿區，理論上是不會損壞的。但由于壓敏電阻器要長期承受電源電壓，電路中暫態過電壓、超能量過電壓隨機的不斷沖擊及吸收電路儲能元件釋放能量，因此，壓敏電阻器也是會損壞的，它的壽命根據所在電路經受的過電壓幅值和能量的不同而不同。

在電子鎮流器和節能燈過壓保護的壓敏電阻,一般小于20W選用MYG07K系列，30W-40W一般選用MYG10系列的壓敏電阻做過壓保護