穩(wěn)壓、TVS二極管和壓敏電阻的區(qū)別是什么？

貼片壓敏電阻和TVS二極管可作為過(guò)電壓保護(hù)部件使用。這些產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和制造方法完全不同，但作為靜電保護(hù)器件卻具有相似的性質(zhì)。由此，雖然在電路上都可以使用，但也存在不能使用貼片壓敏電阻的情況。的確，由于其歷史背景，產(chǎn)品目錄和數(shù)據(jù)表中記載的不同項(xiàng)目很多，難以像電容器和其他通用部件那樣，僅靠紙上記載的規(guī)格進(jìn)行特性的比較。因此，在本報(bào)道中，將明確壓敏電阻和二極管的不同之處，并介紹可以進(jìn)行二極管和壓敏電阻比較的數(shù)據(jù)。

1968年開(kāi)發(fā)的氧化鋅壓敏電阻用于保護(hù)二極管免受雷擊。另一方面，二極管主要用于整流，其用途不同。因此，產(chǎn)品目錄和數(shù)據(jù)表中記載的不同項(xiàng)目很多，現(xiàn)在也難以單純地進(jìn)行比較。在Automotive Electronics Council（車載電子部件評(píng)議會(huì)）制定的規(guī)格中，AEC-Q101適用于TVS二極管，AEC-Q200適用于壓敏電阻，其內(nèi)容大不相同。

圖1 歷史

結(jié)構(gòu)

貼片壓敏電阻是主要以氧化鋅為基礎(chǔ)的陶瓷半導(dǎo)體產(chǎn)品。主要采用下圖所示的積層結(jié)構(gòu)，通過(guò)積層張數(shù)、層間的調(diào)整，可以控制擊穿電壓、靜電容量。而TVS二極管是P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合而構(gòu)成的，是硅基ESD防護(hù)器件。在二極管中，也有使用Au絲等的情況。

圖2 貼片壓敏電阻

圖3 TVS二極管

I-V曲線

貼片壓敏電阻和TVS二極管的電阻值會(huì)隨施加電壓的變化而改變。貼片壓敏電阻可以進(jìn)行雙向靜電保護(hù)。TVS二極管以前大多是有方向性的，但最近雙向的TVS二極管也增加了。但是，由于存在因方向性不同而不同的情況，所以需要注意。

圖4 I-V曲線

對(duì)施加過(guò)電壓的反應(yīng)速度

從盤型壓敏電阻等初期的壓敏電阻時(shí)的記憶中，壓敏電阻的反應(yīng)速度慢，經(jīng)常聽(tīng)到這樣的話。但是，如下圖所示，貼片壓敏電阻和TVS二極管對(duì)施加過(guò)電壓的反應(yīng)速度一樣。施加IEC61000-4-2 HBM +8kV后，在1ns以內(nèi)達(dá)到峰值，400ns后施加在保護(hù)部件上的電壓值幾乎為0。

圖5 對(duì)施加過(guò)電壓的反應(yīng)速度

靜電容量

壓敏電阻和TVS二極管的靜電容量幅度大不相同。由于貼片壓敏電阻采用積層結(jié)構(gòu)，所以可以通過(guò)增加內(nèi)部電極的層數(shù)，增加靜電容量。用EIA0805以下的尺寸進(jìn)行比較時(shí)，如下圖所示，靜電容量的最大值有近100倍的差距。因此，在必須并聯(lián)放入MLCC的線路中，也有可以用單個(gè)貼片壓敏電阻應(yīng)對(duì)的情況。

圖6 靜電容量

其他特性

其他的溫度特性和插入損耗等，雖然貼片壓敏電阻和TVS二極管有一些不同，但在用相同規(guī)格比較時(shí)動(dòng)作相同。由于在各數(shù)據(jù)表中記載了它們各自的動(dòng)作，所以可以與TVS二極管進(jìn)行比較。

圖7 其他特性

為了保護(hù)CAN Tranceiver，在控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)中使用靜電保護(hù)部件。在此介紹在CAN線上選定靜電保護(hù)部件時(shí)的要點(diǎn)。

最大允許電路電壓

在控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)串行總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，使用CANH、CANL信號(hào)后，可獲得顯性(dominant)和隱性(Recessive)的電平狀態(tài)。顯性時(shí)，在CANH線上施加3.5V左右的電壓，靜電保護(hù)部件在此電壓時(shí)必須作為絕緣體發(fā)揮作用。因此，在這次的情況下，需要選擇最大允許電路電壓為3.5V以上的靜電保護(hù)部件。

此外，靜電保護(hù)部件的漏電流具有溫度依賴性，還需要考慮實(shí)際使用時(shí)的溫度環(huán)境。下圖是典型的貼片壓敏電阻和TVS二極管的漏電流溫度特性。隨著高溫的升高，漏電流會(huì)變大，但設(shè)計(jì)時(shí)使之低于50uA。

圖8 漏電流溫度特性

靜電容量

CAN的最大通信速度為1Mbps，電路中并聯(lián)插入的靜電保護(hù)部件不能妨礙這種通信。1Mbps(=0.5 MHz)時(shí)，必須選擇插入損耗小的產(chǎn)品。下圖表明，可用于CAN通信的貼片壓敏電阻和TVS二極管的插入損耗不會(huì)影響任何產(chǎn)品的通信。

圖9 貼片壓敏電阻和TVS二極管的插入損耗

浪涌保護(hù)能力

靜電保護(hù)部件用于保護(hù)成套使用的IC和外圍器件。例如，下面是用于車載CAN Tranceiver的ESD耐量。

表1 ESD Durabitily of CAN Tranceiver for each IC

從這個(gè)表可以看出，如果在CAN Tranceiver施加4kV以上的電壓，可能會(huì)損壞。此外，以下TLP數(shù)據(jù)表明，在相當(dāng)于ESD 4kV的測(cè)試中，相當(dāng)于8A的電流流過(guò)CAN Tranceiver。

圖10 TLP數(shù)據(jù)

如果不使用靜電保護(hù)部件，4kV的靜電會(huì)導(dǎo)致8A電流流向CAN Tranceiver，CAN Tranceiver會(huì)損壞。另一方面，從以下圖可知，由于施加電壓，壓敏電阻、TVS二極管的電阻值急劇下降到2Ω以下。

圖11 TLP數(shù)據(jù)

因此，因施加ESD產(chǎn)生的大部分電流流向保護(hù)元件，可保護(hù)CAN Tranceiver。通過(guò)TLP數(shù)據(jù)，可以在設(shè)計(jì)時(shí)使用模擬的方式來(lái)確認(rèn)流向CAN Tranceiver的電流。這一次，舉了一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，如果知道其他電子部件的特性值，可以在實(shí)際測(cè)試之前確認(rèn)ESD耐量。

ESD耐量

在許多情況下，需要成套部件的ESD耐量，也要求靜電保護(hù)元件具有的性能。產(chǎn)品的ESD耐量可以通過(guò)數(shù)據(jù)表確認(rèn)。