壓敏電阻選用的基本知識(shí)

壓敏電阻標(biāo)稱參數(shù) n~Un(7U/(

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，在用作過壓保護(hù)時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)。壓敏電阻的選用，一般選擇標(biāo)稱壓敏電壓V1mA和通流容量?jī)蓚€(gè)參數(shù)。 W7kLC| Fp

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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?？筛鶕?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=1.5×1.414×220V=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。 hDnOs_

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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℃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± 10%時(shí)的最大脈沖電流值。為了延長(zhǎng)器件的使用壽命，ZnO壓敏電阻所吸收的浪涌電流幅值應(yīng)小于手冊(cè)中給出的產(chǎn)品最大通流量。然而從保護(hù)效果出發(fā)，要求所選用的通流量大一些好。在許多情況下，實(shí)際發(fā)生的通流量是很難精確計(jì)算的，則選用2-20KA的產(chǎn)品。如手頭產(chǎn)品的通流量不能滿足使用要求時(shí)，可將幾只單個(gè)的壓敏電阻并聯(lián)使用，并聯(lián)后的壓敏電不變，其通流量為各單只壓敏電阻數(shù)值之和。要求并聯(lián)的壓敏電阻伏安特性盡量相同，否則易引起分流不均勻而損壞壓敏電阻。 ow7% P" 9

1 氧化鋅壓敏電阻的發(fā)展 h Air7

1967年7月，****松下電器公司無線電實(shí)驗(yàn)室的松岡道雄在研究金屬電極—氧化鋅陶瓷界面時(shí)，無意中發(fā)現(xiàn)氧化鋅(ZnO)加氧化鉍(Bi2O3)復(fù)合陶瓷具有非線性的伏安特性。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)又發(fā)現(xiàn)，如果在以上二元系陶瓷中再加微量的三氧化二銻(Sb2O3)、三氧化二鈷(Co2O3)、二氧化錳(MnO2)、三氧化二鉻(Cr2O3)等多種氧化物，這種復(fù)合陶瓷的非線性系數(shù)可以達(dá)到50左右，伏安特性類似兩只反并聯(lián)的齊納二極管，通流能力不亞于碳化硅(SiC)材料，臨界擊穿電壓可以通過改變元件尺寸方便地加以調(diào)節(jié)，而且這種性能優(yōu)異的壓敏元件通過簡(jiǎn)單的陶瓷工藝就能制造出來，其性能價(jià)格比極高。 k+No b

1.1 理論研究 X$XP i/

1972年美國(guó)通用電氣公司(GE)購(gòu)買了****松下電器公司有關(guān)氧化鋅壓敏材料的大部分專利和技術(shù)決竅。自從美國(guó)掌握了氧化鋅壓敏陶瓷的制造技術(shù)以后，大規(guī)模地進(jìn)行了這種陶瓷材料的基礎(chǔ)研究工作。自80年代起，對(duì)氧化鋅壓敏陶瓷材料的研究逐漸走進(jìn)了企業(yè)。迄今為止，主要的理論研究工作都是在美國(guó)完成的。主要的研究課題有： e n-y

(1) 以解釋宏觀電性為目的的導(dǎo)電模型的微觀結(jié)構(gòu)的研究(70～80年代); qkq-ByATh

(2) 以材料與產(chǎn)品開發(fā)為目的的配方機(jī)理和燒結(jié)工藝的研究(70～80年代); .{E=; *

(3) 氧化鋅壓敏陶瓷材料非線性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ偷难芯?80～90年代); YQFIHq5)*

(4) 氧化鋅壓敏陶瓷復(fù)合粉體的制備研究(80～90年代);  /(&{j2`

(5) 納米材料在氧化鋅壓敏陶瓷中的應(yīng)用研究(90年代)。 }5j>Ne

1.2 研制開發(fā) >* ck)'

70年代末到80年代，基礎(chǔ)理論研究取得了重大進(jìn)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止到1998年，公開發(fā)表的論文和專利說明書等累計(jì)達(dá)700多篇，其中有關(guān)基礎(chǔ)研究的約占一半。在基礎(chǔ)研究的推動(dòng)下，80～90年代，壓敏陶瓷的材料開發(fā)速度大大加快，目前已取得的成果有： cGg$Eqh&

(1) 氧化鋅壓敏陶瓷的電壓梯度已從最初的150V/mm擴(kuò)散到(20～250)V/mm幾十個(gè)系列，從集成電路到高壓、超高壓輸電系統(tǒng)都可以使用; 04,=TLC5 r

(2) 開發(fā)出大尺寸元件，直徑達(dá)120mm,2ms方波，沖擊電流達(dá)到1200A，能量容量平均可達(dá)300J/cm3左右; |V>!7MRD

(3) 汽車用(85～120)℃工作溫度下的高能元件; PQIS0$+

(4) 視在介電常數(shù)小于500的高頻元件; s/nr/Hh

(5) 壓敏—電容雙功能電磁兼容(EMC)元件; CE5^j 5wA

(6) 毫秒級(jí)三角波、能量密度750J/cm3以上的低壓高能元件; =5}pC1wNtS

(7) 老化特性好、電容量大、陡波響應(yīng)快的無鉍(Bi)系氧化鋅壓敏元件; b~d_49S[;

(8) 化學(xué)共沉淀法和熱噴霧分解法壓敏電阻復(fù)合粉體制備技術(shù); z]{JjY

(9) 壓敏電阻的微波燒結(jié)技術(shù); [.92uuD

(10) 無勢(shì)壘氧化鋅大功率線性電阻。 U
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2 壓敏電阻器的應(yīng)用原理 B5_><|(

壓敏電阻器是一種具有瞬態(tài)電壓抑制功能的元件，可以用來代替瞬態(tài)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(duì)IC及其它設(shè)備的電路進(jìn)行保護(hù)，防止因靜電放電、浪涌及其它瞬態(tài)電流(如雷擊等)而造成對(duì)它們的損壞。使用時(shí)只需將壓敏電阻器并接于被保護(hù)的IC或設(shè)備電路上，當(dāng)電壓瞬間高于某一數(shù)值時(shí)，壓敏電阻器阻值迅速下降，導(dǎo)通大電流，從而保護(hù)IC或電器設(shè)備;當(dāng)電壓低于壓敏電阻器工作電壓值時(shí)，壓敏電阻器阻值極高，近乎開路，因而不會(huì)影響器件或電器設(shè)備的正常工作。 een'WWl

壓敏電阻器的應(yīng)用廣泛，從手持式電子產(chǎn)品到工業(yè)設(shè)備，其規(guī)格與尺寸多種多樣。隨著手持式電子產(chǎn)品的廣泛使用，尤其是手機(jī)、手提電腦、PDA、數(shù)字相機(jī)、醫(yī)療儀器等，其電路系統(tǒng)的速度要求更高，并且要求工作電壓更低，這就對(duì)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(xiàn)，而其銷售年增長(zhǎng)率要高于有引線的壓敏電阻器一倍多。 +bKzzB'

預(yù)計(jì)2002年壓敏電阻器的市場(chǎng)增長(zhǎng)率為13%，其中，多層片式壓敏電阻器市場(chǎng)增長(zhǎng)率為20%～30%，徑向引線產(chǎn)品增長(zhǎng)率為5%～10%。需求主要來自于電源設(shè)備，包括DC電源設(shè)備、不間斷電源，以及新的消費(fèi)類電子產(chǎn)品，如數(shù)字音頻/視頻設(shè)備、視頻游戲，數(shù)字相機(jī)等。片式壓敏電阻器已占美國(guó)市場(chǎng)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(chǎn)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(chǎn)品，它們的額定功率為50mJ,典型電容值范圍從90pF(18V的產(chǎn)品)～360pF(5.6V的產(chǎn)品)。MaidaDevelopment公司也生產(chǎn)片式系列的壓敏電阻器，但目前只推出了非標(biāo)準(zhǔn)尺寸的產(chǎn)品，1210、1206、0805、0603和0402的產(chǎn)品正在試產(chǎn)。 eBfyQu

Littelfuse公司在2000年底前推出0201的產(chǎn)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(lián)多層陶瓷瞬態(tài)電壓抑制器陣列(即壓敏電阻器陣列)已經(jīng)被市場(chǎng)接納。可節(jié)省50%的板上空間，75%的生產(chǎn)裝配成本。Multiguad系列采用1206型規(guī)格。其中有一種雙聯(lián)元件采用0805規(guī)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(tài)電壓抑制器。該產(chǎn)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(guī)格。該組件具有性能優(yōu)勢(shì)，更快的導(dǎo)通時(shí)間(或稱響應(yīng)時(shí)間，在200ps～250ps之間)和更小的并行系數(shù)。 6z^X']0

Littelfuse制造的MLN浪涌陣列組件1206規(guī)格，內(nèi)裝4只多層壓敏電阻器。該產(chǎn)品的ESD達(dá)到IEC671000-4-2第四級(jí)水平。其主要特性包括：感抗(1nH)，相鄰?fù)ǖ来當(dāng)_典型值50dB(頻率1MHz時(shí))，在額定電壓工作狀態(tài)下，漏電流為5A,工作電壓高達(dá)18V，電容值可由用戶指定。這種MLN貼片組件可用于板級(jí)ESD保護(hù)，應(yīng)用領(lǐng)域包括手持式產(chǎn)品、電腦產(chǎn)品、工業(yè)及醫(yī)療儀器等。 lZ prD=

EPCOS公司推出了T4N-A230XFV集成浪涌抑制器，內(nèi)含兩只壓敏電阻器和一種短路裝置。該產(chǎn)品用于電信中心局和用戶線一側(cè)的通信設(shè)備保護(hù)。 PS;6g$NM

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3.壓敏電阻的選用

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)稱電壓(即壓敏電壓)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：指在25℃條件下，當(dāng)施加最大連續(xù)直流電壓時(shí)，壓敏電阻器中流過的電流值。

●等級(jí)電壓是指壓敏電阻中通過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(8/20μs)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。

a.壓敏電壓的選取

一般地說，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)稱電壓值即為選用值。對(duì)于過壓保護(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/bc

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;c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：

(1)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(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)稱電壓的壓敏電阻器。

b.通流量的選取

通常產(chǎn)品給出的通流量是按產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)給定的波形、沖擊次數(shù)和間隙時(shí)間進(jìn)行脈沖試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)品所能承受的最大電流值。而產(chǎn)品所能承受的沖擊數(shù)是波形、幅值和間隙時(shí)間的函數(shù)，當(dāng)電流波形幅值降低50%時(shí)沖擊次數(shù)可增加一倍，所以在實(shí)際應(yīng)用中，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。

c.應(yīng)用

圖1所示是采用壓敏電壓器進(jìn)行電路浪涌和瞬變防護(hù)時(shí)的電路連接圖。對(duì)于壓敏電阻的應(yīng)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(chǎng)合是在電源線及長(zhǎng)距離傳輸?shù)男盘?hào)線遇到雷擊而使導(dǎo)線存在浪涌脈沖等情況下對(duì)電子產(chǎn)品起保護(hù)作用。一般在線間接入壓敏電阻器可對(duì)線間的感應(yīng)脈沖有效，而在線與地間接入壓敏電阻則對(duì)傳輸線和大地間的感應(yīng)脈沖有效。若進(jìn)一步將線間連接與線地連接兩種形式組合起來，則可對(duì)浪涌脈沖有更好的吸收作用。

第二種類型為負(fù)荷中的連接，見圖1(b)。它主要用于對(duì)感性負(fù)載突然開閉引起的感應(yīng)脈沖進(jìn)行吸收，以防止元件受到破壞。一般來說，只要并聯(lián)在感性負(fù)載上就可以了，但根據(jù)電流種類和能量大小的不同，可以考慮與R-C串聯(lián)吸收電路合用。

第三種類型是接點(diǎn)間的連接，見圖1(c)。這種連接主要是為了防止感應(yīng)電荷開關(guān)接點(diǎn)被電弧燒壞的情況發(fā)生，一般與接點(diǎn)并聯(lián)接入壓敏電阻器即可。

第四種類型主要用于半導(dǎo)體器件的保護(hù)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(dǎo)體器件，一般采用與保護(hù)器件并聯(lián)的方式，以限制電壓低于被保護(hù)器件的耐壓等級(jí)，這對(duì)半導(dǎo)體器件是一種有效的保護(hù)。

4 氧化鋅壓敏電阻存在的問題

現(xiàn)有壓敏電阻在配方和性能上分為相互不能替代的兩大類：

4.1 高壓型壓敏電阻

高壓型壓敏電阻，其優(yōu)點(diǎn)是電壓梯度高(100～250V/mm)、大電流特性好(V10kA/V1mA≤1.4)但僅對(duì)窄脈寬(2≤ms)的過壓和浪涌有理想的防護(hù)能力，能量密度較小，(50～300)J/cm3。

4.2 高能型壓敏電阻

高能型壓敏電阻，其優(yōu)點(diǎn)是能量密度較大(300J/cm3～750J/cm3)，承受長(zhǎng)脈寬浪涌能力強(qiáng)，但電壓梯度較低(20V/mm～500V/mm)，大電流特性差(V10kA/V1mA>2.0)。

這兩種配方的性能差別造成了許多應(yīng)用上的“死區(qū)”，例如：在10kV電壓等級(jí)的輸配電系統(tǒng)中已經(jīng)廣泛采用了真空開關(guān)，由于它動(dòng)作速度快、拉弧小，會(huì)在操作瞬間造成極高過壓和浪涌能量，如果選用高壓型壓敏電阻加以保護(hù)(如氧化鋅避雷器)，雖然它電壓梯度高、成本較低，但能量容量小，容易損壞;如果選用高能型壓敏電阻，雖然它能量容量大，壽命較長(zhǎng)，但電壓梯度低，成本太高，是前者的5～13倍。

在中小功率變頻電源中，過壓保護(hù)的對(duì)象是功率半導(dǎo)體器件，它對(duì)壓敏電阻的大電流特性和能量容量的要求都很嚴(yán)格，而且要同時(shí)做到元件的小型化。高能型壓敏電阻在能量容量上可以滿足要求，但大電流性能不夠理想，小直徑元件的殘壓比較高，往往達(dá)不到限壓要求;高壓型壓敏電阻的大電流特性較好，易于小型化，但能量容量不夠，達(dá)不到吸能要求。目前中小功率變頻電源在國(guó)內(nèi)外發(fā)展非常迅速，國(guó)內(nèi)銷售量已近100億元/年，但壓敏電阻在這一領(lǐng)域的應(yīng)用幾乎還是空白。

解決上述問題的有效方法是提高高壓型壓敏電阻的能量密度，或提高高能型壓敏電阻的電壓梯度和非線性系數(shù)(降低殘壓比)，即開發(fā)高壓高能型壓敏電阻。

5 應(yīng)用納米材料改性壓敏電阻

氧化鋅壓敏陶瓷屬體型壓敏材料，電壓、電流特性對(duì)稱，壓敏電壓和通流能力可以控制，具有很高的非線性系數(shù)，成為當(dāng)今壓敏材料中的一個(gè)重要分支。為了解決高壓型壓敏電阻與高能型壓敏電阻應(yīng)用上的“死區(qū)”，提出添加納米材料進(jìn)行壓敏電阻改性實(shí)驗(yàn)研究，制得高壓高能型壓敏電阻，將能大幅度提高電壓梯度、非線性系數(shù)和能量密度。

到目前為止，在亞微米級(jí)前驅(qū)粉體基礎(chǔ)上進(jìn)行的各種傳統(tǒng)改性研究(粉體制備方法的改進(jìn)、配方和燒結(jié)工藝調(diào)整等)，均無法解決高壓高能問題，實(shí)現(xiàn)高壓高能壓敏電阻是公認(rèn)的難題。壓敏行業(yè)的專家普遍認(rèn)為：發(fā)展多學(xué)科交*研究，利用新技術(shù)、新材料對(duì)壓敏電阻進(jìn)行改性是解決問題的關(guān)鍵。在各種新技術(shù)、新材料的應(yīng)用方面，納米材料已得到廣泛重視，也正在形成一種新的發(fā)展趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)外有相當(dāng)一批學(xué)者正在著手這方面的研究，初步研究結(jié)果已經(jīng)顯示出采用納米材料是實(shí)現(xiàn)高壓高能的有效途徑。

在國(guó)外由前南斯拉夫塞爾維亞科學(xué)院Milosevic1994年使用高能球磨法，制成平均粒徑100nm以下的復(fù)合ZnO壓敏電阻粉末，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成的壓敏電阻，非線性系數(shù)達(dá)到45，燒成密度達(dá)到理論密度的99%，而且漏電流比較小。

由此可見，納米材料可以大幅度提高電壓梯度、非線性系數(shù)(即降低殘壓比，改善大電流特性)和能量密度，對(duì)實(shí)現(xiàn)壓敏電阻和高壓高能具有重要意義。

但是，當(dāng)前文獻(xiàn)報(bào)道所涉及的研究方法僅限于全部使用納米材料，這種方法工藝復(fù)雜、成本高，不便于生產(chǎn)應(yīng)用。而在采用納米添加法領(lǐng)域內(nèi)(使用少量或微量的納米粉與亞微米粉相結(jié)合的方法)，對(duì)壓敏電阻進(jìn)行改性研究，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于：

納米添加法具有選擇性，可根據(jù)不同的應(yīng)用需要，有目的地進(jìn)行單組份納米添加實(shí)驗(yàn)，尋求改性效果最佳的納米材料和添加比例，因而原料成本不會(huì)大幅度增加。

制備方法簡(jiǎn)單，基本上改變壓敏電阻的現(xiàn)有生產(chǎn)方法，研究成果便于直接應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中去。

6 結(jié) 論

綜上所述，壓敏電阻器應(yīng)用趨向?yàn)椋河幸€的壓敏電阻器近兩年來仍有一定幅度的增長(zhǎng)，目前為總需求的55%～60%;由于手持式電子產(chǎn)品的廣泛使用，片式無引線壓敏電阻器市場(chǎng)增長(zhǎng)率將不斷提高，將逐步超過有引線的壓敏電阻器產(chǎn)量，成為今后的主流產(chǎn)品。在研究和產(chǎn)品開發(fā)方面，采用納米添加改性壓敏電阻，研究開發(fā)一種全新概念的氧化鋅壓敏電阻，實(shí)現(xiàn)壓敏電阻的高壓高能化，將具有很好的市場(chǎng)前景和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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