【導讀】氧化鋅壓敏電阻器與TVS管都是ESD防護常用的器件,對提升整機的ESD性能有非常重要的作用。但是氧化鋅壓敏電阻器與TVS管的導電機理及結構各有差異,因此在具體應用表現(xiàn)也不盡相同。本文將對二者在導電機理,脈沖能量耗散機理,ESD防護時的響應時間的不同進行分析闡述,糾正在響應時間認識上可能存在的誤區(qū),從而使讀者更好的認識壓敏電阻和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體陶瓷元件,具有非線性導電特性,是抑制過電壓、吸收浪涌能量、ESD防護的主要元件材料。氧化鋅壓敏陶瓷的微觀結構如圖1所示。是由氧化鋅晶粒及晶界物質組成的,其中氧化鋅晶粒中摻有施主雜質而呈N型半導體, 晶界物質中含有大量金屬氧化物形成大量界面態(tài),這樣兩個晶粒和一個晶界(即微觀單元)形成一個類似背靠背雙向NPN結, 整個陶瓷就是由許多背靠背雙向NPN結串并聯(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,則當施加電壓小于其反向PN結擊穿電壓時,屬于肖特基勢壘熱電子發(fā)射電導,其導通電流與PN結勢壘及溫度有關;當施加電壓大于其反向PN結擊穿電壓(3.2V)時,屬于隧道電子擊穿導電,其導通電流只與所施加電壓有關,隧道電子擊穿時間是幾十到百皮秒。
圖2是壓敏電阻器的等效電路。其中:當施加電壓小于其反向PN結擊穿電壓時,Rb遠大于Rg,施加電壓幾乎全部加在晶界上,Rb>10M;當施加電壓大于其反向PN結擊穿電壓時,晶界產生隧道電子擊穿導電,Rb遠小于Rg,施加電壓加在晶粒和晶界上,Rg+Rb阻值只有歐姆級;因此當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,壓敏電阻呈現(xiàn)絕緣體高阻值,其漏電流僅有微安級;當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,壓敏電阻呈現(xiàn)導體低阻值,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體陶瓷元件。由于片式氧化鋅壓敏電阻器可應用于電子電源線路和數(shù)據(jù)傳輸線路中,因此被保護電路的工作電壓范圍較寬,同時數(shù)據(jù)線對其電容有特殊要求。通過結構設計和工藝調整(如層數(shù)和膜厚等),可以得到不同線路保護要求的壓敏電阻器。其結構和線路如圖4:
2、TVS管
TVS(TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR)或稱瞬變電壓抑制二極管是在穩(wěn)壓管工藝基礎上發(fā)展起來的一種新產品,其電路符號和普通穩(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,具有非線性導電特性,用于線路抑制過電壓、ESD防護。目前TVS管PN結的反向擊穿電壓一般大于6V,當施加電壓小于其反向PN結擊穿電壓時,屬于肖特基勢壘熱電子發(fā)射電導,其導通電流與PN結勢壘及溫度有關;當施加電壓大于其反向PN結擊穿電壓(6V)時,屬于雪崩電子擊穿導電,其導通電流只與所施加電壓有關,雪崩電子擊穿時間可達1~2ns。由于TVS管也是PN結微觀結構,其等效電路類似圖2。TVS管只有PN結,無晶粒電阻,即Rg=0。因此當施加電壓大于其反向PN結擊穿電壓時,PN結雪崩電子擊穿導電,施加電壓主要加在PN結電阻Rb上,Rb阻值只有歐姆級,因此當外施電壓大于TVS擊穿電壓(即壓敏電壓)時,呈現(xiàn)導體低阻值,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(相對片式氧化鋅壓敏電阻器而言)。能量耗散對比以及對應用表現(xiàn)的影響基于以上導通機理分析,當片式TVS管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時,它能以納秒級時間使其PN結阻抗驟然降低,將其兩端間的電壓箝位在一個預定的數(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管內部僅是雪崩PN結結構,在導通時TVS兩端呈現(xiàn)導體低阻值特性,從而限制電壓較壓敏電阻更低,在TVS上支路上的通流更大,該特性適合應用于耐ESD電壓特別差或者被保護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至線路的公用地線上,有可能對連接到該公共地的其他ESD敏感器件造成二次破壞。壓敏電阻內部微觀結構是無數(shù)個PN結和晶粒的串并聯(lián)結合體,可以吸收和傳導能量,當線路中產生任何過電壓時,壓敏電阻器迅速從兆歐級絕緣電阻變?yōu)闅W姆級的電阻,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,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。響應時間作為過電壓保護元件,當過電壓出現(xiàn)時,保護元件從高阻值絕緣體變?yōu)榈碗娮鑼w、即將過電壓的峰值電壓大幅降低的時間,稱為過電壓保護元件的響應時間。只有過電壓保護元件的響應時間小于過電壓的上升時間,才具有過電壓的抑制功能。過電壓保護元件響應時間是由元件材料及結構決定的,當產品結構中存在寄生電感、電容時,除對保護元件響應時間影響外,還會影響過電壓產生瞬間線路的振蕩過程。目前很多設計人員的意識里存在壓敏電阻響應時間比TVS慢的誤區(qū),器件的響應時間一般由材料和產品結構決定,下面對這兩個因素進行分析。
1、材料本征響應時間由上面的導通機理分析可以知道,氧化鋅壓敏陶瓷導電機理是隧道擊穿,所以其材料響應時間就是其隧道電子擊穿時間,一般為0.3ns。TVS管導電機理是雪崩擊穿,其響應時間就是其雪崩電子擊穿時間,一般在0.5~1ns之間。
2、產品結構對響應時間影響片式氧化鋅壓敏電阻器采用多層獨石結構,其寄生電感非常小,對其響應時間影響甚微,有些設計人員談到的壓敏電阻響應時間慢主要指用于AC端防浪涌的插件壓敏電阻,因為較長的引線引入寄生的電感導致響應時間較慢(25ns)。而TVS管為了SMT要求,在其兩端設計電極引線,也會產生寄生電感,對其響應時間有一定影響。而ESD放電波形一般在1nS達到峰值(如圖6),這就需要過電壓防護器件在1nS內迅速響應,鉗制過電壓,保護IC和ESD敏感線路。從響應時間看,片式壓敏電阻和TVS的響應時間都滿足ESD防護的需求,從而起到良好的防護效果。
綜合以上分析和對比,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)內阻較小,適合應用于耐ESD電壓特別差或者被保護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,除了一般的ESD防護,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。在響應時間方面,要避免陷入片式氧化鋅壓敏陶瓷電阻的響應時間慢的誤區(qū)。由于工藝的差異,片式壓敏電阻的價格要遠低于TVS,表現(xiàn)出良好的性價比,設計人員可以根據(jù)電路的實際應用靈活選擇片式壓敏電阻或者TVS。
TVS 是半導體保護器件,具有響應速度快,可靠性高的優(yōu)點。弱點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電源線應用中作為瞬態(tài)保護元件。壓敏電阻的價格較為低廉。
相比TVS二極管它的缺點是寄生電容較大,響應時間較慢,離散性大。
另外,壓敏電阻會產生蛻化,因此存在可靠性和性能問題。
實例電路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? 二者導通機理和應用的分析與對比》順絡電子
《TVS管和壓敏電阻的區(qū)別以及TVS管的應用》百度知道
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