压敏电阻的结构、特征参数及应用电路

一、关于雷击浪涌防护简介

对于电磁兼容的整改，很多都会涉及系统瞬变干扰的影响的抗性，特别是对于雷击浪涌这种破坏性能量的抑制，一般LC网络组成的滤波电路对这种高速大能量干扰，很难起到抑制作用。最常用的方法是在系统的输入端用并联的方式接入瞬变干扰吸收电路，对超过系统可承受电压的部分进行能量转移泄放、或者能量平滑。常用于雷击浪涌的吸收器件有：气体放电管、压敏电阻、电解电容、TVS管、TSS管、玻璃放电管。

往往由于防护的精度不同，可以使用不同规格不同类型的器件配合使用，甚至与LC网络构成的EMI滤波器配合使用。典型应用电路如下图所示。

对于不同应用场合的产品，《GB/T 17626.5 电磁兼容试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验》规定了不测试电压等级、不同形状的开路电压及短路电流测试波形，对于连接到对称通信线的端口，使用开路电压波形为10/700μs(波前时间10μs，半峰时间700μs)的组合波发生器，对于其他情况，特别是连接到电源线和短距离信号互连线的端口，使用1.2/50μs的组合波发生器。发生器有效输出阻抗设定为2×(1±10%)Ω。我们可以通过测试仪 器发生器的输出电压波形，跟对应的“开路电压峰值和短路电流峰值的关系”来稍微感受一下雷击浪涌的能量大小。

先是1.2/50μs波形的图：

然后是10/700μs波形的图：

二、关于压敏电阻

(下文讨论对象为双脚直插式的压敏电阻，由于时间原因及知识所限并未提及其他规格封装，见谅)

压敏电阻(MOV)，全称金属氧化物压敏电阻，是一种具有非线性伏安特性的电阻器件，同时也是雷击浪涌抑制两大类器件中“箝位型器件”的代表(另一类是“开关型器件”)。由于相应速度快、吸收效果明显，且价格便宜，经常用于各种场合的浪涌雷击吸收，常与气体放电管、TVS管等配合使用。其抑制效果可以形象地用下图表示：

1、压敏电阻结构

压敏电阻中最常见封装的是双脚直插型的，如下图所示。金属氧化物压敏电阻其组成以氧化锌为主体，掺有少量钴、锰、铋等金属的氧化物;外层由玻璃釉包裹，并从氧化物的两侧引出电极引脚。氧化锌颗粒可以当做是许多个PN结以串联或并联的形式排列在一起，所以其特性与两只反接的硅稳压二极管近似。

由于其本身近似半导体的特点，两端电压在较低幅值时，阻抗近似无穷大;当瞬变干扰超过一定电压值时，导通阻抗瞬间下降，超过幅值的电压被转化为瞬态大电流继而变成热量消耗，因此需要较大的表面积，方便器件散热。基于上述结构特征，可归纳出压敏电阻相关特点：对瞬变骚扰吸收能力与体积正相关——A、厚度正比于箝位电压;B、面积正比于耐流;C、体积正比于容量。

同时压敏电阻本身有较大的寄生电容，因此难以吸收高频、短脉窄的瞬变骚扰，决定了压敏电阻对电瞬变的防护作用多用于浪涌雷击，一般的压敏电阻对于静电等脉冲宽度极短的瞬变骚扰难以起到很好的抑制作用。

压敏电阻的相应速度为ns级，故引线电感对响应速度的影响是不可忽略的，同时引线又会引入感应电压，对箝位效果有反作用。所以压敏电阻的引脚越短越好，同时电路板上的走线尽量布短布宽(另外要保证加工过程不会因为对引脚的操作不会对压敏电阻结构造成破坏，故又不能极尽短)。下图是相关引脚长度对箝位的影响：

2、特征参数

上文可知，压敏电阻的工作过程是：将超过箝位范围的那部分电压转化为瞬态大电流，以此起到电压箝位作用。故最主要的参数是压敏电压及对浪涌电流的吸收能力。常作为选型考虑的有下面一些参数：

1)压敏电压：包装上标识的电压规格。恒流条件下测得的压敏电阻两端的压降(测试条件：直径5mm的管芯，测试电流100μA;管芯大于5mm，1mA)。

2)残余电压：压敏电阻在通过规定波形(8/20μs)的浪涌电流时，其两端测得电压的峰值。

3)残压比：残压与压敏电压的比值，二者一般不相等，在进行较低等级的浪涌电压测试时，大约在1.3~2.2，残压比一般随测试电压的增大而增大。

4)通流容量：按规定时间间隔和次数，在压敏电阻上施加规定波形(8/20μs)的浪涌电流，其压敏电压变化率保持在规定范围内所能通过的最大电流峰值。

5)最大连续电压：允许长期连续施加在压敏电阻两端的工作电压有效值(或直流电压值);简单来讲就是不加浪涌时，电路正常工作的输入电压。保证在正常工作过程中能冷却，不会热击穿。

举个例子，之前用过的兴勤TVR系列氧化锌压敏电阻器，其产品规格书中有如下标识：

3、使用及失效

作为瞬变干扰抑制保护器件，压敏电阻的选型既要保证接入电路可以对浪涌电压进行箝位，又要保证不能影响电路正常工作过程。综合来讲有几个点：

1)电路正常工作电压范围在最大连续工作电压范围内，并保留一定余量。

2)压敏电阻的标称压敏电压与实际压敏电压有差别，最好选用标称压敏电压为直流电路设计额定值的1.8~2倍、交流电路设计额定值的2.2~2.5倍。

3)流通容量，即最大冲击电流值的选取，可考虑两个方面：使用场合，试验标准规定的实验等级。前者可按“1kA(8/20μs，下同)的压敏电阻可用于晶闸管整流器的保护，3kA可用于电器设备浪涌吸收，5kA或以上用于电子设备的雷击保护”做大概选型。后者，由于常用综合波发生器的内阻为2Ω，可粗略地认为测试等级为2kV时，保护电路需吸收的最大电流为1kA，4kV时为2kA。此外，由于吸收同样大小的浪涌电流时，流通能力更大的压敏电阻残压更小，故设计时也要保证一定的裕量。

4)由于其本身固有的寄生电容，故不能在高频下工作。

5)部分使用问题，如焊接温度等，查阅使用的压敏电阻对应的规格书;规格大小按照设计电路的大小及保护规格决定，如设备耐压水平Vo较低，而浪涌能量又比较大，则可选择压敏电压低、片径较大的MOV;如果Vo较高，则可选择压敏电压较高的压敏电阻器。

失效形式一般有几种：

1)热击穿：因压敏电阻的荷电率太高、吸收脉冲能量过大、内部吸收不均匀等原因，造成局部或整体发热大于散热，引起热崩溃而击穿。

2)闪络：外部是假的瞬态电场强度过高或外部绝缘层太差，导致强电场作用下，沿元器件侧表发生发电。

3)开裂：吸收能量过大时，热应力作用导致开裂(或导致短路、开路)。

4)炸裂着火：元件吸收超大的脉冲能量时，电流过大，过大的热应力使得元器件炸裂。元件内部杂质、气孔过多时也会有此问题。

4、应用电路：

1)单只使用：用于吸收线与线之间的浪涌。

2)与气体放电管配合使用：由于压敏电阻本身较大的寄生电容，导致它有较大的漏电流，而气体放电管漏电流很小，使得系统几乎没有漏电流。同时配合气体放电管的使用可以承受更大等级的冲击电流。

3)串并联使用：

串联：将两只电阻体直径相同(通流量相同)的压敏电阻串联后，漆压敏电压、持续工作电压和限制电压相加，而通流量指标不变。

并联：目的是获得更大的通流量，或者在冲击电流峰值一定的条件下减小电阻体中的电流密度，以降低限制电压。一般并联的两只压敏电阻规格一致，保证电流在各电阻片之间均匀分配。

4)与TVS管等配合使用：进行更高精度的电压箝位。

原文标题：瞬变干扰吸收器件讲解(一)——压敏电阻[20220315]

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审核编辑：汤梓红