壓敏電阻 VS TVS管
發(fā)布時(shí)間:2019-09-21 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】氧化鋅壓敏電阻器與TVS管都是ESD防護(hù)常用的器件,對(duì)提升整機(jī)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(dǎo)電機(jī)理及結(jié)構(gòu)各有差異,因此在具體應(yīng)用表現(xiàn)也不盡相同。本文將對(duì)二者在導(dǎo)電機(jī)理,脈沖能量耗散機(jī)理,ESD防護(hù)時(shí)的響應(yīng)時(shí)間的不同進(jìn)行分析闡述,糾正在響應(yīng)時(shí)間認(rèn)識(shí)上可能存在的誤區(qū),從而使讀者更好的認(rèn)識(shí)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(dǎo)體陶瓷元件,具有非線性導(dǎo)電特性,是抑制過(guò)電壓、吸收浪涌能量、ESD防護(hù)的主要元件材料。氧化鋅壓敏陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(即微觀單元)形成一個(gè)類(lèi)似背靠背雙向NPN結(jié), 整個(gè)陶瓷就是由許多背靠背雙向NPN結(jié)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(shù)量級(jí),則當(dāng)施加電壓小于其反向PN結(jié)擊穿電壓時(shí),屬于肖特基勢(shì)壘熱電子發(fā)射電導(dǎo),其導(dǎo)通電流與PN結(jié)勢(shì)壘及溫度有關(guān);當(dāng)施加電壓大于其反向PN結(jié)擊穿電壓(3.2V)時(shí),屬于隧道電子擊穿導(dǎo)電,其導(dǎo)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(dāng)施加電壓小于其反向PN結(jié)擊穿電壓時(shí),Rb遠(yuǎn)大于Rg,施加電壓幾乎全部加在晶界上,Rb>10M;當(dāng)施加電壓大于其反向PN結(jié)擊穿電壓時(shí),晶界產(chǎn)生隧道電子擊穿導(dǎo)電,Rb遠(yuǎn)小于Rg,施加電壓加在晶粒和晶界上,Rg+Rb阻值只有歐姆級(jí);因此當(dāng)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(xiàn)絕緣體高阻值,其漏電流僅有微安級(jí);當(dāng)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(xiàn)導(dǎo)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(zhǎng)。 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(dǎo)體陶瓷元件。由于片式氧化鋅壓敏電阻器可應(yīng)用于電子電源線路和數(shù)據(jù)傳輸線路中,因此被保護(hù)電路的工作電壓范圍較寬,同時(shí)數(shù)據(jù)線對(duì)其電容有特殊要求。通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝調(diào)整(如層數(shù)和膜厚等),可以得到不同線路保護(hù)要求的壓敏電阻器。其結(jié)構(gòu)和線路如圖4:
2、TVS管
TVS(TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR)或稱(chēng)瞬變電壓抑制二極管是在穩(wěn)壓管工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新產(chǎn)品,其電路符號(hào)和普通穩(wěn)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,具有非線性導(dǎo)電特性,用于線路抑制過(guò)電壓、ESD防護(hù)。目前TVS管PN結(jié)的反向擊穿電壓一般大于6V,當(dāng)施加電壓小于其反向PN結(jié)擊穿電壓時(shí),屬于肖特基勢(shì)壘熱電子發(fā)射電導(dǎo),其導(dǎo)通電流與PN結(jié)勢(shì)壘及溫度有關(guān);當(dāng)施加電壓大于其反向PN結(jié)擊穿電壓(6V)時(shí),屬于雪崩電子擊穿導(dǎo)電,其導(dǎo)通電流只與所施加電壓有關(guān),雪崩電子擊穿時(shí)間可達(dá)1~2ns。由于TVS管也是PN結(jié)微觀結(jié)構(gòu),其等效電路類(lèi)似圖2。TVS管只有PN結(jié),無(wú)晶粒電阻,即Rg=0。因此當(dāng)施加電壓大于其反向PN結(jié)擊穿電壓時(shí),PN結(jié)雪崩電子擊穿導(dǎo)電,施加電壓主要加在PN結(jié)電阻Rb上,Rb阻值只有歐姆級(jí),因此當(dāng)外施電壓大于TVS擊穿電壓(即壓敏電壓)時(shí),呈現(xiàn)導(dǎo)體低阻值,通過(guò)電流有幾十安培,而且隨著通過(guò)TVS電流急速增長(zhǎng),而TVS兩端電壓仍然很低(相對(duì)片式氧化鋅壓敏電阻器而言)。能量耗散對(duì)比以及對(duì)應(yīng)用表現(xiàn)的影響基于以上導(dǎo)通機(jī)理分析,當(dāng)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(jí)時(shí)間使其PN結(jié)阻抗驟然降低,將其兩端間的電壓箝位在一個(gè)預(yù)定的數(shù)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(nèi)部?jī)H是雪崩PN結(jié)結(jié)構(gòu),在導(dǎo)通時(shí)TVS兩端呈現(xiàn)導(dǎo)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(yīng)用于耐ESD電壓特別差或者被保護(hù)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(dǎo)至線路的公用地線上,有可能對(duì)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(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)是無(wú)數(shù)個(gè)PN結(jié)和晶粒的串并聯(lián)結(jié)合體,可以吸收和傳導(dǎo)能量,當(dāng)線路中產(chǎn)生任何過(guò)電壓時(shí),壓敏電阻器迅速?gòu)恼讱W級(jí)絕緣電阻變?yōu)闅W姆級(jí)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(qiáng),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(hù)。響應(yīng)時(shí)間作為過(guò)電壓保護(hù)元件,當(dāng)過(guò)電壓出現(xiàn)時(shí),保護(hù)元件從高阻值絕緣體變?yōu)榈碗娮鑼?dǎo)體、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(hù)元件的響應(yīng)時(shí)間。只有過(guò)電壓保護(hù)元件的響應(yīng)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(hù)元件響應(yīng)時(shí)間是由元件材料及結(jié)構(gòu)決定的,當(dāng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中存在寄生電感、電容時(shí),除對(duì)保護(hù)元件響應(yīng)時(shí)間影響外,還會(huì)影響過(guò)電壓產(chǎn)生瞬間線路的振蕩過(guò)程。目前很多設(shè)計(jì)人員的意識(shí)里存在壓敏電阻響應(yīng)時(shí)間比TVS慢的誤區(qū),器件的響應(yīng)時(shí)間一般由材料和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)決定,下面對(duì)這兩個(gè)因素進(jìn)行分析。
1、材料本征響應(yīng)時(shí)間由上面的導(dǎo)通機(jī)理分析可以知道,氧化鋅壓敏陶瓷導(dǎo)電機(jī)理是隧道擊穿,所以其材料響應(yīng)時(shí)間就是其隧道電子擊穿時(shí)間,一般為0.3ns。TVS管導(dǎo)電機(jī)理是雪崩擊穿,其響應(yīng)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(jié)構(gòu)對(duì)響應(yīng)時(shí)間影響片式氧化鋅壓敏電阻器采用多層獨(dú)石結(jié)構(gòu),其寄生電感非常小,對(duì)其響應(yīng)時(shí)間影響甚微,有些設(shè)計(jì)人員談到的壓敏電阻響應(yīng)時(shí)間慢主要指用于AC端防浪涌的插件壓敏電阻,因?yàn)檩^長(zhǎng)的引線引入寄生的電感導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間較慢(25ns)。而TVS管為了SMT要求,在其兩端設(shè)計(jì)電極引線,也會(huì)產(chǎn)生寄生電感,對(duì)其響應(yīng)時(shí)間有一定影響。而ESD放電波形一般在1nS達(dá)到峰值(如圖6),這就需要過(guò)電壓防護(hù)器件在1nS內(nèi)迅速響應(yīng),鉗制過(guò)電壓,保護(hù)IC和ESD敏感線路。從響應(yīng)時(shí)間看,片式壓敏電阻和TVS的響應(yīng)時(shí)間都滿足ESD防護(hù)的需求,從而起到良好的防護(hù)效果。
綜合以上分析和對(duì)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(nèi)阻較小,適合應(yīng)用于耐ESD電壓特別差或者被保護(hù)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(qiáng),除了一般的ESD防護(hù),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(hù)。在響應(yīng)時(shí)間方面,要避免陷入片式氧化鋅壓敏陶瓷電阻的響應(yīng)時(shí)間慢的誤區(qū)。由于工藝的差異,片式壓敏電阻的價(jià)格要遠(yuǎn)低于TVS,表現(xiàn)出良好的性價(jià)比,設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)電路的實(shí)際應(yīng)用靈活選擇片式壓敏電阻或者TVS。
TVS 是半導(dǎo)體保護(hù)器件,具有響應(yīng)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(yīng)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電源線應(yīng)用中作為瞬態(tài)保護(hù)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(yīng)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:
本文整理自《選壓敏電阻還是TVS管? 二者導(dǎo)通機(jī)理和應(yīng)用的分析與對(duì)比》順絡(luò)電子
《TVS管和壓敏電阻的區(qū)別以及TVS管的應(yīng)用》百度知道
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