多層壓敏電阻：緊湊耐用型過(guò)壓保護

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備，因此，可靠的 過(guò)壓保護必不可少。目前TDK集團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，且具有卓越的保護性能。

影響電氣設備的過(guò)壓其產(chǎn)生有多種原因，能量等級也不同，并可通過(guò)不同的 途徑引入。比如，根據IEC 61000-4-2測量的ESD脈沖主要影響通信設備的輸入/輸出，其中，測試等級為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較低，僅為幾個(gè)毫焦耳。

為了防止ESD事件發(fā)生，TDK集團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、平板電腦和可穿戴設備等移動(dòng)以及尺寸日益緊湊的各種應用。

另一種過(guò)壓主要通過(guò)電源線(xiàn)引入，可能由于附近的雷擊或負載脫落引起。這些事件能引起長(cháng)達幾個(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到幾千焦耳，比ESD事件還要高幾倍。根據IEC 61000-4-5，對組件承受這些高 能量脈沖的能力進(jìn)行了測試，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標準的脈沖波形

短路電流測試(8/20 μs)

開(kāi)路電壓測試(1.2/50 μs)

為了充分防止這些事件發(fā)生，保護設備的設計必須考慮可能產(chǎn)生的漏地電流和相應的能量級別。從這方面來(lái)說(shuō)，傳統壓 敏電阻的尺寸相對更大。

新型陶瓷材料使得設計更緊湊 為了改進(jìn)多層壓敏電阻的性能和緊湊性，TDK集團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)生了細粒狀結構的陶瓷材料，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電流密度可能增加三倍多。與此同時(shí)，相對介電常數增加了幾倍，使得電場(chǎng)強度 (E ) 也顯著(zhù)增加(相同體積，看圖2)。

圖2：傳統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粒狀結構，新型愛(ài)普科斯 (EPCOS) 多層壓敏電阻具有更高的電場(chǎng) 強度。其好處是雙重的：一方面，相同組件體積內可集成更多的內部電極，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，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)增加內電極的數量來(lái)設計具有更高電壓級別的壓敏電阻，并顯著(zhù)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)現所需性能。浪涌電流能力為1200 A (8/20 μs) 的標準壓敏電阻是按照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，其體積相應減少了三倍多。由于小型化在這些應用中扮演著(zhù)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應用。

鉗位電壓越低，性能越好 由于TDK集團新型陶瓷材料允許的電場(chǎng)強度更高，內電極數更多，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。

比如，電流為10 A時(shí)，愛(ài)普科斯 (EPCOS) 現有浪涌保護系列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 能力可以達到400 A。因此，新型壓敏電阻的防護等級顯著(zhù)提高。

圖3：相同鉗位電壓時(shí)浪涌電流能力更強

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)的浪涌電流可以達到400 A.

元件越少，保護越強

在實(shí)際應用中，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±20%，對于這些應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，該壓敏電阻能針對單個(gè)組件提供必要的保護。 因此，除了改進(jìn)可靠性，還可能大幅減少組件數，這樣不僅可節省印刷電路板的寶貴空間，還能降低材料和組裝成本。

表：愛(ài)普科斯 (EPCOS) 高浪涌系列多層壓敏電阻的關(guān)鍵數據

外形尺寸 EIA 1210 至 2220

最大工作電壓 [V DC] 高達 65

1 mA時(shí)壓敏電阻的電壓 [V DC] 高達 85

浪涌電流能力 [A， 8/20 μs] 高達1 x 5000和10 x 3500

200 A時(shí)的鉗位電壓 [V] 最大為135(新型陶瓷材料)

最大能量吸收 [mJ， 2 ms] 高達 15，000

最大工作溫度 [°C] 125