電子設(shè)備因靜電而故障！不易劣化的貼片壓敏電阻的選擇方法

TDK貼片壓敏電阻AVR系列采用獨(dú)特材料，因此擁有較強(qiáng)的反復(fù)浪涌抗性特點(diǎn)。同時(shí)還提供有可對高速頻繁進(jìn)行ON/OFF動作的小型電磁閥及步進(jìn)馬達(dá)等產(chǎn)品中齊納二極管等進(jìn)行替換的產(chǎn)品。

電磁閥及步進(jìn)馬達(dá)中亦可替換齊納二極管等進(jìn)行使用

本報(bào)道中針對擁有優(yōu)異反復(fù)浪涌耐量的TDK貼片壓敏電阻AVR系列特點(diǎn)以及替換優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行介紹。

圖1誘導(dǎo)性負(fù)荷反電動勢引起的浪涌以及浪涌保護(hù)設(shè)備的作用

在馬達(dá)、變壓器以及電磁閥等使用線圈的帶誘導(dǎo)性負(fù)荷裝置中，在關(guān)閉電源時(shí)會因線圈自感應(yīng)作用產(chǎn)生較大的反電動勢，從而發(fā)生達(dá)到供應(yīng)電壓數(shù)倍～10倍以上的高峰值脈沖性浪涌。該浪涌會引起電路錯(cuò)誤工作，或?qū)е?a target="_blank">半導(dǎo)體器件等周邊元件破損，因此會使用浪涌吸收器、浪涌抑制器等各類浪涌保護(hù)設(shè)備。
在電路電壓較低的系統(tǒng)中會使用貼片壓敏電阻、齊納二極管、TVS二極管等。以上產(chǎn)品均通過抑制產(chǎn)生浪涌的過電壓來保護(hù)電路(圖1)。

通過積層工藝制造的貼片壓敏電阻體積小，且擁有優(yōu)異的浪涌吸收性能，同時(shí)在貼裝時(shí)可發(fā)揮空間及成本優(yōu)勢，因此其多用于發(fā)揮浪涌保護(hù)以及ESD(靜電放電)對策等作用的電子設(shè)備中。然而，在以往電磁閥、步進(jìn)馬達(dá)等(圖2)頻繁反復(fù)進(jìn)行ON/OFF的誘導(dǎo)性負(fù)荷裝置中，傳統(tǒng)上均會選擇齊納二極管或TVS二極管等。這是因?yàn)橘N片壓敏電阻一般會給人以對于頻繁進(jìn)行ON/OFF時(shí)產(chǎn)生的反復(fù)浪涌抗性較弱的印象。
TDK貼片壓敏電阻AVR系列采用獨(dú)特材料，因此擁有較強(qiáng)的反復(fù)浪涌抗性特點(diǎn)。同時(shí)還提供有可對高速頻繁進(jìn)行ON/OFF動作的小型電磁閥及步進(jìn)馬達(dá)等產(chǎn)品中齊納二極管等進(jìn)行替換的產(chǎn)品。此外，通過替換齊納二極管等產(chǎn)品后可獲得各種優(yōu)點(diǎn)。

圖2電磁閥結(jié)構(gòu)示例以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

相關(guān)鏈接

產(chǎn)品概要

齊納?TVS二極管和壓敏電阻的區(qū)別是什么？使用時(shí)應(yīng)進(jìn)行比較的4個(gè)要點(diǎn)

ZnO(氧化鋅)晶粒所處晶界物理特性表現(xiàn)壓敏電阻特性

壓敏電阻器(Varistor)是指變化的電阻器，英文全稱為Variable Resistor。其電壓-電流特性不適用歐姆定律，屬于非線性電阻器件。貼片壓敏電阻內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

貼片壓敏電阻是在主原料ZnO(氧化鋅)中添加各類添加物的壓敏電阻材料片材上印刷內(nèi)部電極，并將其進(jìn)行積層加工后按規(guī)定的芯片尺寸進(jìn)行裁切，并通過燒制爐進(jìn)行燒制后通過對端子電極進(jìn)行鍍加工后形成的SMD原件。燒制后的壓敏電阻元件體成為由細(xì)微ZnO粒子構(gòu)成的多晶體半導(dǎo)體陶瓷，在燒制過程中，添加物會向晶粒周圍進(jìn)行偏析，從而形成高電阻晶界。為此，貼片壓敏電阻針對電路電壓及信號電壓等低電壓擁有高電阻特性，但當(dāng)超過一定值后，其對于過電壓的電阻值會急劇下降，從而過電壓會形成浪涌電流流過。該電壓稱為壓敏電阻電壓，通常定義為端子間流過DC1mA電流時(shí)的端子間電壓，因此壓敏電阻電壓以V1mA進(jìn)行表述。而這一壓敏電阻特性的表現(xiàn)正是源自多個(gè)晶粒所處晶界的物體特性。

圖3貼片壓敏電阻內(nèi)部結(jié)構(gòu)、ZnO粒子多晶體結(jié)以及晶界(示意圖)

可在確保壓敏電阻特性不發(fā)生劣化的情況下進(jìn)行處理的電流大小稱為浪涌電流耐量，而可在確保特性不發(fā)生劣化的狀態(tài)下進(jìn)行吸收的能量大小則稱為能量耐量。
在反復(fù)吸收超過額定的浪涌電流后，壓敏電阻電壓會出現(xiàn)逐漸降低趨勢。這因?yàn)榉磸?fù)流過浪涌電流后，每次產(chǎn)生的焦耳熱會使部分晶界層發(fā)生破損。

圖4所示為貼片壓敏電阻的普通劣化示例。當(dāng)劣化越來越嚴(yán)重時(shí)，內(nèi)部電極會因發(fā)熱而溶解，壓敏電阻元件體會發(fā)生熔融。
最終可能導(dǎo)致貼片壓敏電阻變?yōu)槎搪纺Ｊ健?/p>

圖4反復(fù)浪涌導(dǎo)致的貼片壓敏電阻劣化示例

通過采用獨(dú)特材料確保擁有優(yōu)異反復(fù)浪涌耐量的TDK貼片壓敏電阻

壓敏電阻的反復(fù)浪涌耐量會受到主成分ZnO中添加的添加物種類、成分等材料因素較大影響。
TDK貼片壓敏電阻采用了運(yùn)用材料技術(shù)開發(fā)的獨(dú)特材料。其擁有優(yōu)異的反復(fù)浪涌耐量特點(diǎn)，此外還提供有可對高速頻繁進(jìn)行ON/OFF動作的電磁閥及步進(jìn)馬達(dá)等產(chǎn)品中齊納二極管等進(jìn)行替代的產(chǎn)品。

圖5所示為普通貼片壓敏電阻與TDK貼片壓敏電阻(車載等級AVR系列)的反復(fù)浪涌耐量特性的比較圖表。橫軸為IEC6100-4-2的HBM(人體模型)試驗(yàn)中施加15kV電壓的次數(shù)，縱軸為壓敏電阻電壓(V@1mA)的變化率。均針對10個(gè)器件進(jìn)行測量。
在普通貼片壓敏電阻中，在施加10次后的大約下降了5%，施加10000次后則下降了將近10%。而TDK的貼片壓敏電阻在施加10000次后仍未發(fā)生下降，可以發(fā)現(xiàn)其具備極其優(yōu)異的反復(fù)浪涌耐量。

圖5普通貼片壓敏電阻與采用TDK獨(dú)特材料的貼片壓敏電阻的比較：反復(fù)浪涌耐量特性

圖6所示為在28Vdc下反復(fù)施加電壓后的漏電流變化情況圖表。在普通貼片壓敏電阻中，施加10次后漏電流增加了大約100倍。而TDK的貼片壓敏電阻在施加10000次后仍未發(fā)生變化。

圖6普通貼片壓敏電阻與采用TDK獨(dú)特材料的貼片壓敏電阻的比較：漏電流的變化

圖7所示為齊納二極管與TDK貼片壓敏電阻(車載等級AVR系列)的反復(fù)浪涌耐量的比較示例。其為采用與圖5所示比較試驗(yàn)相同條件的結(jié)果。從中可以發(fā)現(xiàn)，TDK貼片壓敏電阻擁有優(yōu)異的特點(diǎn)，并且毫不遜色于齊納二極管。

圖7普通齊納二極管與采用TDK獨(dú)特材料的貼片壓敏電阻的比較：施加反復(fù)浪涌時(shí)對于壓敏電阻電壓的影響

將TVS二極管與電容器的組合替換為貼片壓敏電阻單體的優(yōu)點(diǎn)

貼片壓敏電阻不僅擁有浪涌吸收性能，同時(shí)還具備噪音抑制效果。
圖8所示為貼片壓敏電阻的等效電路。貼片壓敏電阻與反向連接的2個(gè)齊納二極管和電容器并列連接時(shí)的情況相同。電流-電壓特性對稱，不具備極性。在高電阻晶界作用下通常會發(fā)揮電容器功能，但在大頻帶下則會發(fā)揮噪音吸收效果。

圖8 貼片壓敏電阻的等效電路

通過TVS二極管進(jìn)行ESD對策，并通過電容器進(jìn)行EMI對策的電路中，可使用貼片壓敏電阻單體進(jìn)行替換。

圖9將TVS二極管+電容器替換為貼片壓敏電阻單體

空間優(yōu)點(diǎn)、成本優(yōu)點(diǎn)、噪音對策方面也具備優(yōu)勢

壓敏電阻作為浪涌保護(hù)設(shè)備，其擁有多樣類型，而其特性則會因材料因素而大有不同。
大型電磁閥及馬達(dá)不易受反電動勢影響，電子閥自身對于過電壓也擁有較強(qiáng)抗性，因此通常使用普通盤壓敏變阻器等進(jìn)行保護(hù)以免受浪涌影響。此外，在過電壓施加次數(shù)不多的情況下，普通壓敏電阻即可發(fā)揮充分保護(hù)作用。
而在高速且頻繁反復(fù)進(jìn)行ON/OFF的電磁閥及步進(jìn)馬達(dá)等產(chǎn)品中，長時(shí)間使用后，壓敏電阻上施加的過電壓次數(shù)可能超過1000萬次、甚至1億次以上，因此選擇不會因施加過電壓而發(fā)生劣化的材料極為重要。

采用材料技術(shù)開發(fā)的TDK貼片壓敏電阻擁有優(yōu)異的反復(fù)浪涌耐量特點(diǎn)，同時(shí)還會提供毫不遜色于齊納二極管特性的車載等級AVR系列產(chǎn)品。同時(shí)還可對高速反復(fù)頻繁進(jìn)行ON/OFF動作的小型電磁閥及步進(jìn)馬達(dá)等產(chǎn)品中齊納二極管等進(jìn)行替換。不僅如此，1005尺寸的小型貼片壓敏電阻也具備穩(wěn)定特性，因此在空間優(yōu)點(diǎn)、成本優(yōu)點(diǎn)、噪音抑制以及ESD對策等方面也極具優(yōu)勢。

作為車載等級AVR系列提供的TDK貼片壓敏電阻中特性尤為優(yōu)異的推薦產(chǎn)品如下所示(表1)。其均在IEC61000-4-2的HBM試驗(yàn)中擁有施加電壓達(dá)到25kV的耐量，不僅在要求高可靠性及長壽命的車載用途中，同時(shí)還在上述所示要求對反復(fù)施加電壓擁有高耐量的產(chǎn)業(yè)設(shè)備中也顯示出穩(wěn)定特性。其中按尺寸記載了12V電路系統(tǒng)、24V電路系統(tǒng)中可使用的推薦產(chǎn)品。

表1擁有優(yōu)異反復(fù)耐量的車載等級推薦產(chǎn)品

審核編輯：湯梓紅