壓敏電阻 VS TVS管

氧化鋅壓敏電阻器與TVS管都是ESD防護常用的器件，對提升整機的ESD性能有非常重要的作用。但是氧化鋅壓敏電阻器與TVS管的導電機理及結構各有差異，因此在具體應用表現也不盡相同。本文將對二者在導電機理，脈沖能量耗散機理，ESD防護時(shí)的響應時(shí)間的不同進(jìn)行分析闡述，糾正在響應時(shí)間認識上可能存在的誤區，從而使讀者更好的認識壓敏電阻和TVS。

1、氧化鋅壓敏陶瓷
氧化鋅壓敏陶瓷是一種以氧化鋅為主體、添加多種金屬氧化物、 經(jīng)電子陶瓷工藝制成的多晶半導體陶瓷元件，具有非線(xiàn)性導電特性，是抑制過(guò)電壓、吸收浪涌能量、ESD防護的主要元件材料。氧化鋅壓敏陶瓷的微觀(guān)結構如圖1所示。是由氧化鋅晶粒及晶界物質(zhì)組成的,其中氧化鋅晶粒中摻有施主雜質(zhì)而呈N型半導體, 晶界物質(zhì)中含有大量金屬氧化物形成大量界面態(tài),這樣兩個(gè)晶粒和一個(gè)晶界（即微觀(guān)單元）形成一個(gè)類(lèi)似背靠背雙向NPN結, 整個(gè)陶瓷就是由許多背靠背雙向NPN結串并聯(lián)的組合體。由于氧化鋅壓敏陶瓷晶界非常薄，僅有埃數量級，則當施加電壓小于其反向PN結擊穿電壓時(shí)，屬于肖特基勢壘熱電子發(fā)射電導，其導通電流與PN結勢壘及溫度有關(guān)；當施加電壓大于其反向PN結擊穿電壓（3.2V）時(shí)，屬于隧道電子擊穿導電，其導通電流只與所施加電壓有關(guān)，隧道電子擊穿時(shí)間是幾十到百皮秒。

圖2是壓敏電阻器的等效電路。其中：當施加電壓小于其反向PN結擊穿電壓時(shí)，Rb遠大于Rg,施加電壓幾乎全部加在晶界上，Rb＞10M；當施加電壓大于其反向PN結擊穿電壓時(shí)，晶界產(chǎn)生隧道電子擊穿導電，Rb遠小于Rg,施加電壓加在晶粒和晶界上，Rg+Rb阻值只有歐姆級；因此當外施電壓小于氧化鋅壓敏陶瓷晶界擊穿電壓（即壓敏電壓）時(shí)，壓敏電阻呈現絕緣體高阻值，其漏電流僅有微安級；當外施電壓大于氧化鋅壓敏陶瓷晶界擊穿電壓（即壓敏電壓）時(shí)，壓敏電阻呈現導體低阻值，通過(guò)電流有幾十安培，而且外施電壓小幅提高，通過(guò)電流急速增長(cháng)。 片式氧化鋅壓敏電阻器是采用氧化鋅壓敏陶瓷材料，經(jīng)過(guò)電子陶瓷流延工藝制成的多晶半導體陶瓷元件。由于片式氧化鋅壓敏電阻器可應用于電子電源線(xiàn)路和數據傳輸線(xiàn)路中，因此被保護電路的工作電壓范圍較寬，同時(shí)數據線(xiàn)對其電容有特殊要求。通過(guò)結構設計和工藝調整（如層數和膜厚等），可以得到不同線(xiàn)路保護要求的壓敏電阻器。其結構和線(xiàn)路如圖4：

2、TVS管
TVS（TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR）或稱(chēng)瞬變電壓抑制二極管是在穩壓管工藝基礎上發(fā)展起來(lái)的一種新產(chǎn)品，其電路符號和普通穩壓二極管相同,外形也與普通二極管無(wú)異,分為單向和雙向，具有非線(xiàn)性導電特性，用于線(xiàn)路抑制過(guò)電壓、ESD防護。目前TVS管PN結的反向擊穿電壓一般大于6V，當施加電壓小于其反向PN結擊穿電壓時(shí)，屬于肖特基勢壘熱電子發(fā)射電導，其導通電流與PN結勢壘及溫度有關(guān)；當施加電壓大于其反向PN結擊穿電壓（6V）時(shí)，屬于雪崩電子擊穿導電，其導通電流只與所施加電壓有關(guān)，雪崩電子擊穿時(shí)間可達1～2ns。由于TVS管也是PN結微觀(guān)結構，其等效電路類(lèi)似圖2。TVS管只有PN結，無(wú)晶粒電阻，即Rg=0。因此當施加電壓大于其反向PN結擊穿電壓時(shí)，PN結雪崩電子擊穿導電，施加電壓主要加在PN結電阻Rb上，Rb阻值只有歐姆級，因此當外施電壓大于TVS擊穿電壓（即壓敏電壓）時(shí)，呈現導體低阻值，通過(guò)電流有幾十安培，而且隨著(zhù)通過(guò)TVS電流急速增長(cháng)，而TVS兩端電壓仍然很低（相對片式氧化鋅壓敏電阻器而言）。能量耗散對比以及對應用表現的影響基于以上導通機理分析，當片式TVS管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，它能以納秒級時(shí)間使其PN結阻抗驟然降低，將其兩端間的電壓箝位在一個(gè)預定的數值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。由于TVS管內部?jì)H是雪崩PN結結構，在導通時(shí)TVS兩端呈現導體低阻值特性，從而限制電壓較壓敏電阻更低，在TVS上支路上的通流更大，該特性適合應用于耐ESD電壓特別差或者被保護部位阻抗特別小的部位(如聽(tīng)筒，MIC,音頻等)。但TVS無(wú)法吸收瞬間脈沖能量，只能將能量單方向傳導至線(xiàn)路的公用地線(xiàn)上，有可能對連接到該公共地的其他ESD敏感器件造成二次破壞。壓敏電阻內部微觀(guān)結構是無(wú)數個(gè)PN結和晶粒的串并聯(lián)結合體，可以吸收和傳導能量，當線(xiàn)路中產(chǎn)生任何過(guò)電壓時(shí)，壓敏電阻器迅速從兆歐級絕緣電阻變?yōu)闅W姆級的電阻，將過(guò)電壓抑制到較低的水平并吸收部分能量，因此壓敏電阻的吸收能量的能力比TVS管要強，并且能防止ESD造成的瞬態(tài)EMI和二次破壞。壓敏電阻的特性特別適合于電源部位和較大瞬態(tài)能量的部位過(guò)壓防護。響應時(shí)間作為過(guò)電壓保護元件，當過(guò)電壓出現時(shí)，保護元件從高阻值絕緣體變?yōu)榈碗娮鑼w、即將過(guò)電壓的峰值電壓大幅降低的時(shí)間，稱(chēng)為過(guò)電壓保護元件的響應時(shí)間。只有過(guò)電壓保護元件的響應時(shí)間小于過(guò)電壓的上升時(shí)間，才具有過(guò)電壓的抑制功能。過(guò)電壓保護元件響應時(shí)間是由元件材料及結構決定的，當產(chǎn)品結構中存在寄生電感、電容時(shí)，除對保護元件響應時(shí)間影響外，還會(huì )影響過(guò)電壓產(chǎn)生瞬間線(xiàn)路的振蕩過(guò)程。目前很多設計人員的意識里存在壓敏電阻響應時(shí)間比TVS慢的誤區，器件的響應時(shí)間一般由材料和產(chǎn)品結構決定，下面對這兩個(gè)因素進(jìn)行分析。

1、材料本征響應時(shí)間由上面的導通機理分析可以知道，氧化鋅壓敏陶瓷導電機理是隧道擊穿，所以其材料響應時(shí)間就是其隧道電子擊穿時(shí)間，一般為0.3ns。TVS管導電機理是雪崩擊穿，其響應時(shí)間就是其雪崩電子擊穿時(shí)間，一般在0.5~1ns之間。

2、產(chǎn)品結構對響應時(shí)間影響片式氧化鋅壓敏電阻器采用多層獨石結構，其寄生電感非常小，對其響應時(shí)間影響甚微，有些設計人員談到的壓敏電阻響應時(shí)間慢主要指用于A(yíng)C端防浪涌的插件壓敏電阻，因為較長(cháng)的引線(xiàn)引入寄生的電感導致響應時(shí)間較慢（25ns）。而TVS管為了SMT要求，在其兩端設計電極引線(xiàn)，也會(huì )產(chǎn)生寄生電感，對其響應時(shí)間有一定影響。而ESD放電波形一般在1nS達到峰值（如圖6），這就需要過(guò)電壓防護器件在1nS內迅速響應，鉗制過(guò)電壓，保護IC和ESD敏感線(xiàn)路。從響應時(shí)間看，片式壓敏電阻和TVS的響應時(shí)間都滿(mǎn)足ESD防護的需求，從而起到良好的防護效果。

綜合以上分析和對比，片式氧化鋅壓敏陶瓷電阻和TVS管均是抑制ESD的有效器件，TVS管限制電壓較低，瞬態(tài)內阻較小，適合應用于耐ESD電壓特別差或者被保護部位阻抗特別小的部位(如聽(tīng)筒，MIC,音頻等)。而壓敏電阻的吸收能量的能力比TVS管要強，除了一般的ESD防護，也特別適合于電源部位和較大瞬態(tài)能量的部位過(guò)壓防護。在響應時(shí)間方面，要避免陷入片式氧化鋅壓敏陶瓷電阻的響應時(shí)間慢的誤區。由于工藝的差異，片式壓敏電阻的價(jià)格要遠低于TVS，表現出良好的性?xún)r(jià)比，設計人員可以根據電路的實(shí)際應用靈活選擇片式壓敏電阻或者TVS。

TVS 是半導體保護器件，具有響應速度快，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。弱點(diǎn)一是無(wú)法承受太大的瞬間電流，二是其箝位電壓隨著(zhù)電流增加而增加。

特別適合于不需要旁路大能量的低電壓場(chǎng)合應用。示例電路如下：

壓敏電阻的突破承載取決于它的物理尺寸，因而可以獲得較高的浪涌電流值。其箝位特性使他可以為AC或DC電源線(xiàn)應用中作為瞬態(tài)保護元件。壓敏電阻的價(jià)格較為低廉。

相比TVS二極管它的缺點(diǎn)是寄生電容較大，響應時(shí)間較慢，離散性大。

另外，壓敏電阻會(huì )產(chǎn)生蛻化，因此存在可靠性和性能問(wèn)題。

實(shí)例電路AC200V電源防雷：

DC12V/24V 電源防雷：