如何快速認(rèn)識(shí)壓敏電阻和TVS管？

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。
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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)，屬于肖特基勢壘熱電子發(fā)射電導(dǎo)，其導(dǎo)通電流與PN結(jié)勢壘及溫度有關(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，通過電流有幾十安培，而且外施電壓小幅提高，通過電流急速增長。?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)，屬于肖特基勢壘熱電子發(fā)射電導(dǎo)，其導(dǎo)通電流與PN結(jié)勢壘及溫度有關(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)，其等效電路類似圖2。

TVS管只有PN結(jié)，無晶粒電阻，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，通過電流有幾十安培，而且隨著通過TVS電流急速增長，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)部僅是雪崩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(如聽筒，MIC,音頻等)。但TVS無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)生任何過電壓時(shí)，壓敏電阻器迅速從兆歐級(jí)絕緣電阻變?yōu)闅W姆級(jí)的電阻，將過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)能量的部位過壓防護(hù)。響應(yīng)時(shí)間作為過電壓保護(hù)元件，當(dāng)過電壓出現(xiàn)時(shí)，保護(hù)元件從高阻值絕緣體變?yōu)榈碗娮鑼?dǎo)體、即將過電壓的峰值電壓大幅降低的時(shí)間，稱為過電壓保護(hù)元件的響應(yīng)時(shí)間。只有過電壓保護(hù)元件的響應(yīng)時(shí)間小于過電壓的上升時(shí)間，才具有過電壓的抑制功能。過電壓保護(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)影響過電壓產(chǎn)生瞬間線路的振蕩過程。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），這就需要過電壓防護(hù)器件在1nS內(nèi)迅速響應(yīng)，鉗制過電壓，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題。

實(shí)例電路AC200V電源防雷：

DC12V/24V 電源防雷：

編輯：黃飛

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