壓敏電阻的特性分析與選型設(shè)計(jì)

壓敏電阻（MOV，Metal Oxide Resistor）是目前在電氣、電子產(chǎn)品中使用最廣泛的雷擊電涌抑制器件，其利用金屬氧化物晶粒（主要是ZnO）和晶界層間的隧道效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬態(tài)過電壓的電壓鉗位抑制。壓敏電阻具有納秒級(jí)的響應(yīng)速度，并且具有瞬態(tài)電壓吸收能力與其體積成正比的特點(diǎn)，容易做到很大的吸收容量，因此，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于雷擊浪涌、靜電放電、瞬態(tài)電快脈沖（EFT，Electrical Fast Transient）等過電壓的保護(hù)。

一、特性分析
1.響應(yīng)時(shí)間：壓敏電阻鉗位電壓的作用取決于其內(nèi)部電子傳導(dǎo)機(jī)制，由于晶界層很薄，因此壓敏電阻氧化鋅介電材料對(duì)過電壓的響應(yīng)速度是很快的，管芯本體的響應(yīng)時(shí)間可小于1ns。當(dāng)管芯封裝成為壓敏電阻成品后，其等效電路模型如圖1所示。

圖1 壓敏電阻的等效電路模型

其中，L為引線電感；C為寄生電容；RB為氧化鋅的體電阻，其值等于其電阻率（1～10Ω·cm）與管芯厚度的積；RLG為晶界層體電阻，其值等于其電阻率（1012～1013Ω·cm）與管芯厚度的積；RV為理想的可變電阻，其值可從0到無窮大。由于引線電感L的附加作用，會(huì)使整個(gè)壓敏電阻的響應(yīng)時(shí)間大大增加。普通圓形壓敏電阻因引線長，響應(yīng)時(shí)間為20ns左右。表面封裝的壓敏電阻則小些，響應(yīng)時(shí)間為5～10ns。因此，以上兩種形式的壓敏電阻只能用于雷擊浪涌、電快脈沖EFT（上升沿時(shí)間為10～20ns）的瞬態(tài)過電壓抑制。為用于上升時(shí)間極短的ESD過電壓的保護(hù)，生產(chǎn)廠商利用低溫陶瓷燒結(jié)工藝（LTCC）設(shè)計(jì)出多層的表面封裝結(jié)構(gòu)的壓敏電阻。如圖2（a）所示，該結(jié)構(gòu)消除了金屬引線，極大地減小了寄生電感，可達(dá)到小于0.5ns的響應(yīng)時(shí)間性能，滿足ESD抑制需要。圖2（b）所示為這種壓敏電阻對(duì)ESD過電壓脈沖的實(shí)測(cè)抑制效果。因此，電氣、電子設(shè)備設(shè)計(jì)者可根據(jù)需要，選擇合適響應(yīng)速度的壓敏電阻，并在實(shí)際應(yīng)用中盡可能地減小壓敏電阻在電路中的連線長度。

圖2 低電感壓敏電阻

2.鉗位性能和寄生電容：壓敏電阻在導(dǎo)通后，還存在一定的動(dòng)態(tài)電阻，因此，其鉗位電壓并不能維持一直不變，而還受沖擊電流的影響。由于雷擊電涌、ESD脈沖的沖擊電流很大，導(dǎo)致壓敏電阻的鉗位電壓會(huì)有較大波動(dòng)，即殘壓較大，并且沖擊電流越大，殘壓越高。這一點(diǎn)不利于后續(xù)敏感電子設(shè)備的保護(hù)，在選擇壓敏電阻時(shí)需要注意。圖3所示為壓敏電阻和氣體放電管對(duì)雷擊電涌電壓的抑制效果?？梢钥闯?，壓敏電阻響應(yīng)時(shí)間快，但其鉗位電壓有波動(dòng)。氣體放電管響應(yīng)慢，但導(dǎo)通后的限制電壓較穩(wěn)定。

圖3 壓敏電阻和氣體放電管對(duì)雷擊電涌電壓的抑制效果

從壓敏電阻的結(jié)構(gòu)以及表1的實(shí)測(cè)參數(shù)來看，壓敏電阻的寄生電容相對(duì)較大，最大可達(dá)上千皮法。這使得壓敏電阻用于高頻電子設(shè)備的保護(hù)時(shí)，會(huì)影響到正常信號(hào)的順利傳輸和處理。因此，在這些場(chǎng)合，設(shè)計(jì)者需要選擇低寄生電容的壓敏電阻產(chǎn)品，或者采用壓敏電阻與氣體放電管串聯(lián)的電路設(shè)計(jì)。對(duì)于工頻電源線，壓敏電阻的寄生電容通常不會(huì)引起問題。

表1 小型表面貼裝壓敏電阻電氣參數(shù)

3.漏電流造成的老化：由于壓敏電阻制造時(shí)存在微小缺陷，或承受強(qiáng)度不大的多次電流沖擊的作用，可能會(huì)造成氧化鋅管芯的微觀壓敏電阻體的分布不均勻，管芯一些部位處的電阻會(huì)降低。在正常工作電壓的作用下，就會(huì)導(dǎo)致漏電流局部增加，且集中流入這些薄弱點(diǎn)，最終使薄弱點(diǎn)材料逐步微融化，即加速老化現(xiàn)象。當(dāng)這些薄弱點(diǎn)處形成1kΩ左右的低阻后，正常工作電壓即會(huì)形成一個(gè)較大的電流灌入該低阻點(diǎn)，使上述惡性過程加劇，進(jìn)而形成局部高熱而使壓敏電阻起火。這種老化現(xiàn)象會(huì)發(fā)生在較高電壓的電源線應(yīng)用場(chǎng)合。這種現(xiàn)象可以通過為壓敏電阻設(shè)計(jì)一個(gè)串聯(lián)的熱熔接點(diǎn)來避免。熱熔接點(diǎn)與電阻體有良好的熱接觸，當(dāng)瞬態(tài)沖擊電流流過時(shí)，由于溫升有限而不會(huì)斷開，但當(dāng)老化電流造成的溫升超過電壓敏電阻上限工作溫度時(shí)，將熔斷開而防止故障的擴(kuò)大。圖4顯示了這種設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)及原理。圖5所示為實(shí)物圖。

圖4 具有熱保護(hù)熔絲的一體化壓敏電阻

圖5 具有熱保護(hù)功能的壓敏電阻實(shí)物圖

4.串并聯(lián)使用：壓敏電阻可以串、并聯(lián)使用，以進(jìn)行保護(hù)電壓及通流容量等級(jí)的擴(kuò)大。如將幾個(gè)通流量相同、直徑也相同的壓敏電阻管芯緊壓串聯(lián)起來，則該組合體的通流量指標(biāo)不變，而其壓敏電壓、持續(xù)工作電壓和殘壓參數(shù)則為各個(gè)單管芯上述指標(biāo)的代數(shù)和，實(shí)現(xiàn)了鉗位電壓的提高。例如，應(yīng)用在電力系統(tǒng)中的高壓電力避雷器，其持續(xù)工作電壓要求可高達(dá)數(shù)萬伏，單個(gè)管芯幾乎無法達(dá)到。因此，實(shí)際的電力避雷器就是將多個(gè)ZnO壓敏電阻管芯疊層組裝，即串聯(lián)起來制成。為獲得更大的通流容量，必要時(shí)可以將壓敏電阻并聯(lián)起來。在抑制雷擊電流要求高的場(chǎng)合，避雷器需要具有極大的通流量。例如，一類建筑的電力線進(jìn)入端需要具有承受8/20μs，50～130kA的浪涌電流的能力，單個(gè)商用壓敏電壓的通流容量是幾乎沒有符合上述要求的。而制造更大直徑的低壓、大通流容量壓敏電阻在工藝上又很有困難，并且隨著電阻體直徑的加大，管芯的微觀均勻性也變差，因此，事實(shí)上通流容量不可能隨管芯面積一直成比例地增大。此時(shí)，可以使用較小直徑的壓敏電阻片并聯(lián)的方法。由于管芯的高非線性和參數(shù)分散性，進(jìn)行壓敏電阻片的并聯(lián)使用需要小心謹(jǐn)慎。這是因?yàn)椴⒙?lián)后不僅存在寄生電容倍增的問題，還可能存在由于參數(shù)不一致而導(dǎo)致的電流不均勻分布情況。由于各器件的實(shí)際動(dòng)作電壓不可能完全相同，即使各個(gè)壓敏電阻的標(biāo)稱值都相同，也還是存在差異。當(dāng)瞬態(tài)過電壓作用時(shí)，各并聯(lián)器件中動(dòng)作電壓最低的一個(gè)將先導(dǎo)通，并鉗位住過電壓，使其他并聯(lián)壓敏電阻不動(dòng)作。此時(shí)，強(qiáng)大的沖擊電流將先通過該壓敏電阻流過，很容易超過其通流容量而造成高溫?zé)龤?。?dāng)該管子燒毀后，電流會(huì)尋找下一個(gè)最弱的壓敏電阻流過，從而使上述過程接連發(fā)生。在實(shí)踐中，對(duì)需要并聯(lián)的壓敏電阻要進(jìn)行仔細(xì)配對(duì)，使實(shí)際參數(shù)相同的壓敏電阻并聯(lián)，才能保證電流在各壓敏電阻中的均勻分配?？偟膩砜?，壓敏電阻整體抑制性能的優(yōu)、缺點(diǎn)如下。（1）優(yōu)點(diǎn)規(guī)格豐富，容量大，可選擇的范圍可從幾伏到幾千伏，吸收浪涌的電流從幾十到幾千安。反應(yīng)速度快，可達(dá)納秒極。無極性，無續(xù)流。此外還具有價(jià)格低的特點(diǎn)。（2）缺點(diǎn)殘余電壓較高，一般可達(dá)工作電壓2～3倍。隨著受到浪涌沖擊次數(shù)的增加，壓敏電阻的漏電流會(huì)增加，造成老化。寄生電容較大。因此，壓敏電阻可適用于直流電源線、低頻信號(hào)線，或者與氣體放電管串聯(lián)起來用在交流電源線或高速信號(hào)線上。此外，在開關(guān)電源、繼電開關(guān)中也可用于瞬態(tài)尖峰能量的吸收。

二、應(yīng)用設(shè)計(jì)
1.壓敏電阻選擇設(shè)計(jì)的一般過程：對(duì)壓敏電阻進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)不影響被保護(hù)設(shè)備的正常工作，同時(shí)又要能有效地保護(hù)設(shè)備。故在具體選擇壓敏電阻時(shí)，主要關(guān)注壓敏電壓、通流容量、寄生電容、響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)。（1）壓敏電壓的選擇從抑制瞬變干擾的角度出發(fā)，壓敏電壓要盡量降低，越接近被保護(hù)電路的工作電壓越好。然而，從提高壓敏電阻的使用壽命來看，壓敏電壓則又越大越好。對(duì)此，通常進(jìn)行折衷選取。對(duì)交流工作電路，壓敏電壓的最小值一般取為被保護(hù)設(shè)備工作電壓的2～3倍；對(duì)直流工作電路，可取為工作電壓的1.8～2倍。（2）通流量的選取壓敏電阻通流容量應(yīng)按照可能遭受的最大雷擊電涌電流來確定。在實(shí)際應(yīng)用中，可按電子設(shè)備EMC雷擊電涌測(cè)試要求以及所在建筑抗雷擊容量要求作為選取依據(jù)。此外，應(yīng)使壓敏電阻的最大通流容量大于所需吸收的最大浪涌電流。這樣，對(duì)同一應(yīng)用場(chǎng)合，當(dāng)最大通流量增加一倍時(shí)，壓敏電阻耐沖擊電流的壽命也相應(yīng)地增加一倍。比如，對(duì)低壓電子設(shè)備的電磁兼容性雷擊電涌測(cè)試，通常是采用組合波發(fā)生器來進(jìn)行。1.2/50μs的6kV的電涌峰值電壓會(huì)形成8/20μs的3kA的沖擊電流，此時(shí)可選擇5kA的壓敏電阻的通流容量，不僅會(huì)使得壓敏電阻安全裕量大些，也會(huì)使殘壓也下降一些。（3）寄生電容根據(jù)被保護(hù)設(shè)備線纜的工作頻率高低，校核壓敏電阻寄生電容是否影響信號(hào)的正常波形，選取寄生電容小的壓敏電阻。（4）響應(yīng)時(shí)間對(duì)于快速變化的瞬態(tài)脈沖過電壓，響應(yīng)時(shí)間參數(shù)越小越好。一般來講，壓敏電阻的響應(yīng)速度對(duì)雷擊電涌沖擊是足夠的，對(duì)于ESD保護(hù)則需要響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)小于1ns。

2.壓敏電阻常用抑制電路設(shè)計(jì)：（1）三相電源線雷擊電涌的保護(hù)設(shè)計(jì)壓敏電阻的使用相對(duì)簡(jiǎn)單，并聯(lián)在需要保護(hù)的設(shè)備兩端即可。圖6所示為壓敏電阻在一臺(tái)三相供電設(shè)備上的雷擊電涌抑制設(shè)計(jì)。圖中，在三根火線的兩兩間均有一個(gè)壓敏電阻，以抑制差模電涌成分。在三根火線與保護(hù)地間也均有一個(gè)壓敏電阻，用來抑制共模電涌成分。對(duì)于單相電源線、多芯線的信號(hào)線的雷擊電涌保護(hù)也可用類似的設(shè)計(jì)。

圖6 三相供電設(shè)備上的雷擊電涌抑制設(shè)計(jì)

此外，用壓敏電阻對(duì)ESD進(jìn)行抑制，其原理設(shè)計(jì)方案和上述例子相似。在具體安裝時(shí)，則要盡可能選擇快響應(yīng)速率、低殘壓的多層壓敏電阻器件，并且在工藝上盡可能縮短連線長度。（2）電子設(shè)備內(nèi)部瞬態(tài)過電壓干擾抑制設(shè)計(jì)在開關(guān)電源、有感性負(fù)載的電子設(shè)備中，常常會(huì)因?yàn)殡娐穬?nèi)部的操作而形成尖峰過電壓。該尖峰電壓過高時(shí)，就可能對(duì)內(nèi)部控制電路以及外部的其他敏感設(shè)備造成干擾，甚至損壞。對(duì)這種尖峰過電壓，利用壓敏電阻可以進(jìn)行有效的吸收和抑制。圖7所示是一個(gè)RL阻感負(fù)載的PWM工作的開關(guān)電源，當(dāng)開關(guān)晶體管V關(guān)斷時(shí)，由于電感L的電流不能立即到零，會(huì)在V上形成一個(gè)尖峰電壓，如圖中“無MOV”波形所示，該尖峰電壓甚至可達(dá)直流母線電壓的2～3倍，很容易損壞開關(guān)管V。在電感L兩端并聯(lián)上合適的壓敏電阻，就可以將上述電壓尖峰有效鉗位，從而使V上承受的電壓峰值大大下降。圖8所示是交流電源上的一個(gè)例子，交流電動(dòng)機(jī)的停機(jī)由開關(guān)S控制。與圖7類似，在S斷開瞬間，作為感性負(fù)載的電動(dòng)機(jī)因電流續(xù)流而會(huì)在開關(guān)S上形成尖峰電壓，造成開關(guān)拉弧現(xiàn)象。這種電弧會(huì)加速開關(guān)的燒損，同時(shí)向周圍形成強(qiáng)烈的電磁輻射，影響無線電接收設(shè)備。在電動(dòng)機(jī)兩端并聯(lián)壓敏電阻，就可以有效抑制上述現(xiàn)象，大大降低干擾。

圖7 開關(guān)電源過電壓抑制

圖8 電動(dòng)機(jī)過電壓抑制