多層壓敏電阻: 緊湊耐用型過壓保護

　　過壓及相關聯(lián)的高浪涌電流能損害甚至損壞電氣和電子設備，因此，可靠的過壓保護必不可少。目前TDK集團基于一種新型陶瓷材料開發(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。影響電氣設備的過壓其產生有多種原因，能量等級也不同，并可通過不同的途徑引入。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，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以及尺寸日益緊湊的各種應用。另一種過壓主要通過電源線引入，可能由于附近的雷擊或負載脫落引起。這些事件能引起長達幾個納秒的幾千安的浪涌電流。情況最壞時，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行了測試，短路電流波形為8/20 μs，開路電壓波形為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生的漏地電流和相應的能量級別。從這方面來說，傳統(tǒng)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發(fā)了一種新型陶瓷材料。該新型材料改進后的性能基于ZnO壓敏電阻摻雜了更多的一種特殊的金屬氧化物，從而產生了細粒狀結構的陶瓷材料，每個單位體積產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，相對介電常數(shù)增加了幾倍，使得電場強度 (EV) 也顯著增加(相同體積，看圖2)。圖2：傳統(tǒng)和新型陶瓷材料的比較

　　借助改進的電氣性能，目前可通過增加內電極的數(shù)量來設計具有更高電壓級別的壓敏電阻，并顯著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現(xiàn)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進行生產。通過使用新型陶瓷材料，TDK集團已經通過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日益重要的角色，新型壓敏電阻非常適合物聯(lián)網 (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強度更高，內電極數(shù)更多，還有可能降低組件的鉗位電壓。組件上產生特殊浪涌電流時，如果過壓事件發(fā)生就會產生鉗位電壓。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。反過來說，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，愛普科斯 (EPCOS) 現(xiàn)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，使用改進型陶瓷材料的愛普科斯 (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提高。圖3：相同鉗位電壓時浪涌電流能力更強

　　新型愛普科斯 (EPCOS) 高浪涌/低鉗位型壓敏電阻鉗位電壓為135V時通過的浪涌電流可以達到400 A.

　　元件越少，保護越強在實際應用中，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。反過來說，這也是一個相當大的成本因素。另外一個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)生過壓時，各組件承受的電流不同，偶爾由于負載過大引起壓敏電阻故障。借助新型TDK陶瓷材料，目前可能生產具有高浪涌電流能力的壓敏電阻，該壓敏電阻能針對單個組件提供必要的保護。因此，除了改進可靠性，還可能大幅減少組件數(shù)，這樣不僅可節(jié)省印刷電路板的寶貴空間，還能降低材料和組裝成本。表：愛普科斯 (EPCOS) 高浪涌系列多層壓敏電阻的關鍵數(shù)據