壓敏電阻的特性分析與選型設計
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來實現(xiàn)對瞬態(tài)過電壓的電壓鉗位抑制。壓敏電阻具有納秒級的響應速度，并且具有瞬態(tài)電壓吸收能力與其體積成正比的特點，容易做到很大的吸收容量，因此，已經(jīng)廣泛應用于雷擊浪涌、靜電放電、瞬態(tài)電快脈沖（EFT，Electrical Fast Transient）等過電壓的保護。
一、特性分析
1.響應時間：壓敏電阻鉗位電壓的作用取決于其內(nèi)部電子傳導機制，由于晶界層很薄，因此壓敏電阻氧化鋅介電材料對過電壓的響應速度是很快的，管芯本體的響應時間可小于1ns。當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，會使整個壓敏電阻的響應時間大大增加。普通圓形壓敏電阻因引線長，響應時間為20ns左右。表面封裝的壓敏電阻則小些，響應時間為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（上升沿時間為10～20ns）的瞬態(tài)過電壓抑制。為用于上升時間極短的ESD過電壓的保護，生產(chǎn)廠商利用低溫陶瓷燒結(jié)工藝（LTCC）設計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，可達到小于0.5ns的響應時間性能，滿足ESD抑制需要。圖2（b）所示為這種壓敏電阻對ESD過電壓脈沖的實測抑制效果。因此，電氣、電子設備設計者可根據(jù)需要，選擇合適響應速度的壓敏電阻，并在實際應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：壓敏電阻在導通后，還存在一定的動態(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，導致壓敏電阻的鉗位電壓會有較大波動，即殘壓較大，并且沖擊電流越大，殘壓越高。這一點不利于后續(xù)敏感電子設備的保護，在選擇壓敏電阻時需要注意。圖3所示為壓敏電阻和氣體放電管對雷擊電涌電壓的抑制效果?？梢钥闯觯瑝好綦娮桧憫獣r間快，但其鉗位電壓有波動。氣體放電管響應慢，但導通后的限制電壓較穩(wěn)定。
圖3 壓敏電阻和氣體放電管對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的實測參數(shù)來看，壓敏電阻的寄生電容相對較大，最大可達上千皮法。這使得壓敏電阻用于高頻電子設備的保護時，會影響到正常信號的順利傳輸和處理。因此，在這些場合，設計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)的電路設計。對于工頻電源線，壓敏電阻的寄生電容通常不會引起問題。
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存在微小缺陷，或承受強度不大的多次電流沖擊的作用，可能會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降低。在正常工作電壓的作用下，就會導致漏電流局部增加，且集中流入這些薄弱點，最終使薄弱點材料逐步微融化，即加速老化現(xiàn)象。當這些薄弱點處形成1kΩ左右的低阻后，正常工作電壓即會形成一個較大的電流灌入該低阻點，使上述惡性過程加劇，進而形成局部高熱而使壓敏電阻起火。這種老化現(xiàn)象會發(fā)生在較高電壓的電源線應用場合。這種現(xiàn)象可以通過為壓敏電阻設計一個串聯(lián)的熱熔接點來避免。熱熔接點與電阻體有良好的熱接觸，當瞬態(tài)沖擊電流流過時，由于溫升有限而不會斷開，但當老化電流造成的溫升超過電壓敏電阻上限工作溫度時，將熔斷開而防止故障的擴大。圖4顯示了這種設計的結(jié)構(gòu)及原理。圖5所示為實物圖。
圖4 具有熱保護熔絲的一體化壓敏電阻
圖5 具有熱保護功能的壓敏電阻實物圖
4.串并聯(lián)使用：壓敏電阻可以串、并聯(lián)使用，以進行保護電壓及通流容量等級的擴大。如將幾個通流量相同、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)則為各個單管芯上述指標的代數(shù)和，實現(xiàn)了鉗位電壓的提高。例如，應用在電力系統(tǒng)中的高壓電力避雷器，其持續(xù)工作電壓要求可高達數(shù)萬伏，單個管芯幾乎無法達到。因此，實際的電力避雷器就是將多個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，必要時可以將壓敏電阻并聯(lián)起來。在抑制雷擊電流要求高的場合，避雷器需要具有極大的通流量。例如，一類建筑的電力線進入端需要具有承受8/20μs，50～130kA的浪涌電流的能力，單個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，事實上通流容量不可能隨管芯面積一直成比例地增大。此時，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，進行壓敏電阻片的并聯(lián)使用需要小心謹慎。這是因為并聯(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)不一致而導致的電流不均勻分布情況。由于各器件的實際動作電壓不可能完全相同，即使各個壓敏電阻的標稱值都相同，也還是存在差異。當瞬態(tài)過電壓作用時，各并聯(lián)器件中動作電壓最低的一個將先導通，并鉗位住過電壓，使其他并聯(lián)壓敏電阻不動作。此時，強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燒毀。當該管子燒毀后，電流會尋找下一個最弱的壓敏電阻流過，從而使上述過程接連發(fā)生。在實踐中，對需要并聯(lián)的壓敏電阻要進行仔細配對，使實際參數(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)、缺點如下。（1）優(yōu)點規(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。反應速度快，可達納秒極。無極性，無續(xù)流。此外還具有價格低的特點。（2）缺點殘余電壓較高，一般可達工作電壓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線上。此外，在開關電源、繼電開關中也可用于瞬態(tài)尖峰能量的吸收。
二、應用設計
1.壓敏電阻選擇設計的一般過程：對壓敏電阻進行選擇設計時，首先應不影響被保護設備的正常工作，同時又要能有效地保護設備。故在具體選擇壓敏電阻時，主要關注壓敏電壓、通流容量、寄生電容、響應時間等參數(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。對此，通常進行折衷選取。對交流工作電路，壓敏電壓的最小值一般取為被保護設備工作電壓的2～3倍；對直流工作電路，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按照可能遭受的最大雷擊電涌電流來確定。在實際應用中，可按電子設備EMC雷擊電涌測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，對同一應用場合，當最大通流量增加一倍時，壓敏電阻耐沖擊電流的壽命也相應地增加一倍。比如，對低壓電子設備的電磁兼容性雷擊電涌測試，通常是采用組合波發(fā)生器來進行。1.2/50μs的6kV的電涌峰值電壓會形成8/20μs的3kA的沖擊電流，此時可選擇5kA的壓敏電阻的通流容量，不僅會使得壓敏電阻安全裕量大些，也會使殘壓也下降一些。（3）寄生電容根據(jù)被保護設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的正常波形，選取寄生電容小的壓敏電阻。（4）響應時間對于快速變化的瞬態(tài)脈沖過電壓，響應時間參數(shù)越小越好。一般來講，壓敏電阻的響應速度對雷擊電涌沖擊是足夠的，對于ESD保護則需要響應時間遠小于1ns。
2.壓敏電阻常用抑制電路設計：（1）三相電源線雷擊電涌的保護設計壓敏電阻的使用相對簡單，并聯(lián)在需要保護的設備兩端即可。圖6所示為壓敏電阻在一臺三相供電設備上的雷擊電涌抑制設計。圖中，在三根火線的兩兩間均有一個壓敏電阻，以抑制差模電涌成分。在三根火線與保護地間也均有一個壓敏電阻，用來抑制共模電涌成分。對于單相電源線、多芯線的信號線的雷擊電涌保護也可用類似的設計。
圖6 三相供電設備上的雷擊電涌抑制設計
此外，用壓敏電阻對ESD進行抑制，其原理設計方案和上述例子相似。在具體安裝時，則要盡可能選擇快響應速率、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）電子設備內(nèi)部瞬態(tài)過電壓干擾抑制設計在開關電源、有感性負載的電子設備中，常常會因為電路內(nèi)部的操作而形成尖峰過電壓。該尖峰電壓過高時，就可能對內(nèi)部控制電路以及外部的其他敏感設備造成干擾，甚至損壞。對這種尖峰過電壓，利用壓敏電阻可以進行有效的吸收和抑制。圖7所示是一個RL阻感負載的PWM工作的開關電源，當開關晶體管V關斷時，由于電感L的電流不能立即到零，會在V上形成一個尖峰電壓，如圖中“無MOV”波形所示，該尖峰電壓甚至可達直流母線電壓的2～3倍，很容易損壞開關管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例子，交流電動機的停機由開關S控制。與圖7類似，在S斷開瞬間，作為感性負載的電動機因電流續(xù)流而會在開關S上形成尖峰電壓，造成開關拉弧現(xiàn)象。這種電弧會加速開關的燒損，同時向周圍形成強烈的電磁輻射，影響無線電接收設備。在電動機兩端并聯(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 開關電源過電壓抑制
圖8 電動機過電壓抑制
