拥有优异反复浪涌耐量的贴片压敏电阻

TDK贴片压敏电阻AVR系列采用独特材料,因此拥有较强的反复浪涌抗性特点。同时还提供有可对高速频繁进行ON/OFF动作的小型电磁阀及步进马达等产品中齐纳二极管等进行替换的产品。

TDK贴片压敏电阻AVR系列采用独特材料,因此拥有较强的反复浪涌抗性特点。同时还提供有可对高速频繁进行ON/OFF动作的小型电磁阀及步进马达等产品中齐纳二极管等进行替换的产品。

电磁阀及步进马达中亦可替换齐纳二极管等进行使用

本报道中针对拥有优异反复浪涌耐量的TDK贴片压敏电阻AVR系列特点以及替换优点进行介绍。

图1 诱导性负荷反电动势引起的浪涌以及浪涌保护设备的作用

图1 诱导性负荷反电动势引起的浪涌以及浪涌保护设备的作用

在马达、变压器以及电磁阀等使用线圈的带诱导性负荷装置中,在关闭电源时会因线圈自感应作用产生较大的反电动势,从而发生达到供应电压数倍~10倍以上的高峰值脉冲性浪涌。该浪涌会引起电路错误工作,或导致半导体器件等周边元件破损,因此会使用浪涌吸收器、浪涌抑制器等各类浪涌保护设备。
在电路电压较低的系统中会使用贴片压敏电阻、齐纳二极管、TVS二极管等。以上产品均通过抑制产生浪涌的过电压来保护电路(图1)。

通过积层工艺制造的贴片压敏电阻体积小,且拥有优异的浪涌吸收性能,同时在贴装时可发挥空间及成本优势,因此其多用于发挥浪涌保护以及ESD(静电放电)对策等作用的电子设备中。然而,在以往电磁阀、步进马达等(图2)频繁反复进行ON/OFF的诱导性负荷装置中,传统上均会选择齐纳二极管或TVS二极管等。这是因为贴片压敏电阻一般会给人以对于频繁进行ON/OFF时产生的反复浪涌抗性较弱的印象。
TDK贴片压敏电阻AVR系列采用独特材料,因此拥有较强的反复浪涌抗性特点。同时还提供有可对高速频繁进行ON/OFF动作的小型电磁阀及步进马达等产品中齐纳二极管等进行替换的产品。此外,通过替换齐纳二极管等产品后可获得各种优点。

图2 电磁阀结构示例以及步进电机驱动系统的基本结构

图2 电磁阀结构示例以及步进电机驱动系统的基本结构

ZnO(氧化锌)晶粒所处晶界物理特性表现压敏电阻特性

压敏电阻器(Varistor)是指变化的电阻器,英文全称为Variable Resistor。其电压-电流特性不适用欧姆定律,属于非线性电阻器件。贴片压敏电阻内部结构如图3所示。

贴片压敏电阻是在主原料ZnO(氧化锌)中添加各类添加物的压敏电阻材料片材上印刷内部电极,并将其进行积层加工后按规定的芯片尺寸进行裁切,并通过烧制炉进行烧制后通过对端子电极进行镀加工后形成的SMD原件。烧制后的压敏电阻元件体成为由细微ZnO粒子构成的多晶体半导体陶瓷,在烧制过程中,添加物会向晶粒周围进行偏析,从而形成高电阻晶界。为此,贴片压敏电阻针对电路电压及信号电压等低电压拥有高电阻特性,但当超过一定值后,其对于过电压的电阻值会急剧下降,从而过电压会形成浪涌电流流过。该电压称为压敏电阻电压,通常定义为端子间流过DC1mA电流时的端子间电压,因此压敏电阻电压以V1mA进行表述。而这一压敏电阻特性的表现正是源自多个晶粒所处晶界的物体特性。

图3 贴片压敏电阻内部结构、ZnO粒子多晶体结以及晶界(示意图)

图3 贴片压敏电阻内部结构、ZnO粒子多晶体结以及晶界(示意图)

可在确保压敏电阻特性不发生劣化的情况下进行处理的电流大小称为浪涌电流耐量,而可在确保特性不发生劣化的状态下进行吸收的能量大小则称为能量耐量。
在反复吸收超过额定的浪涌电流后,压敏电阻电压会出现逐渐降低趋势。这因为反复流过浪涌电流后,每次产生的焦耳热会使部分晶界层发生破损。

图4所示为贴片压敏电阻的普通劣化示例。当劣化越来越严重时,内部电极会因发热而溶解,压敏电阻元件体会发生熔融。
最终可能导致贴片压敏电阻变为短路模式。

图4 反复浪涌导致的贴片压敏电阻劣化示例

图4 反复浪涌导致的贴片压敏电阻劣化示例

通过采用独特材料确保拥有优异反复浪涌耐量的TDK贴片压敏电阻

压敏电阻的反复浪涌耐量会受到主成分ZnO中添加的添加物种类、成分等材料因素较大影响。
TDK贴片压敏电阻采用了运用材料技术开发的独特材料。其拥有优异的反复浪涌耐量特点,此外还提供有可对高速频繁进行ON/OFF动作的电磁阀及步进马达等产品中齐纳二极管等进行替代的产品。

图5所示为普通贴片压敏电阻与TDK贴片压敏电阻(车载等级AVR系列)的反复浪涌耐量特性的比较图表。横轴为IEC6100-4-2的HBM(人体模型)试验中施加15kV电压的次数,纵轴为压敏电阻电压(V@1mA)的变化率。均针对10个器件进行测量。
在普通贴片压敏电阻中,在施加10次后的大约下降了5%,施加10000次后则下降了将近10%。而TDK的贴片压敏电阻在施加10000次后仍未发生下降,可以发现其具备极其优异的反复浪涌耐量。

图5 普通贴片压敏电阻与采用TDK独特材料的贴片压敏电阻的比较:反复浪涌耐量特性

图5 普通贴片压敏电阻与采用TDK独特材料的贴片压敏电阻的比较:反复浪涌耐量特性

图6所示为在28Vdc下反复施加电压后的漏电流变化情况图表。在普通贴片压敏电阻中,施加10次后漏电流增加了大约100倍。而TDK的贴片压敏电阻在施加10000次后仍未发生变化。

图6 普通贴片压敏电阻与采用TDK独特材料的贴片压敏电阻的比较:漏电流的变化

图6 普通贴片压敏电阻与采用TDK独特材料的贴片压敏电阻的比较:漏电流的变化

图7所示为齐纳二极管与TDK贴片压敏电阻(车载等级AVR系列)的反复浪涌耐量的比较示例。其为采用与图5所示比较试验相同条件的结果。从中可以发现,TDK贴片压敏电阻拥有优异的特点,并且毫不逊色于齐纳二极管。

图7 普通齐纳二极管与采用TDK独特材料的贴片压敏电阻的比较:施加反复浪涌时对于压敏电阻电压的影响

图7 普通齐纳二极管与采用TDK独特材料的贴片压敏电阻的比较:施加反复浪涌时对于压敏电阻电压的影响

将TVS二极管与电容器的组合替换为贴片压敏电阻单体的优点

贴片压敏电阻不仅拥有浪涌吸收性能,同时还具备噪音抑制效果。
图8所示为贴片压敏电阻的等效电路。贴片压敏电阻与反向连接的2个齐纳二极管和电容器并列连接时的情况相同。电流-电压特性对称,不具备极性。在高电阻晶界作用下通常会发挥电容器功能,但在大频带下则会发挥噪音吸收效果。

图8 贴片压敏电阻的等效电路

图8 贴片压敏电阻的等效电路

通过TVS二极管进行ESD对策,并通过电容器进行EMI对策的电路中,可使用贴片压敏电阻单体进行替换。

图9 将TVS二极管+电容器替换为贴片压敏电阻单体

图9 LC滤波器MLCC的优点
贴片压敏电阻的特点
  • ●由于没有极性,因此1个器件可应对双向ESD/浪涌
  • ●便于实现高静电容量
  • ●小型、低背
  • ●ESD/浪涌耐性优异

空间优点、成本优点、噪音对策方面也具备优势

压敏电阻作为浪涌保护设备,其拥有多样类型,而其特性则会因材料因素而大有不同。
大型电磁阀及马达不易受反电动势影响,电子阀自身对于过电压也拥有较强抗性,因此通常使用普通盘压敏变阻器等进行保护以免受浪涌影响。此外,在过电压施加次数不多的情况下,普通压敏电阻即可发挥充分保护作用。
而在高速且频繁反复进行ON/OFF的电磁阀及步进马达等产品中,长时间使用后,压敏电阻上施加的过电压次数可能超过1000万次、甚至1亿次以上,因此选择不会因施加过电压而发生劣化的材料极为重要。

采用材料技术开发的TDK贴片压敏电阻拥有优异的反复浪涌耐量特点,同时还会提供毫不逊色于齐纳二极管特性的车载等级AVR系列产品。同时还可对高速反复频繁进行ON/OFF动作的小型电磁阀及步进马达等产品中齐纳二极管等进行替换。不仅如此,1005尺寸的小型贴片压敏电阻也具备稳定特性,因此在空间优点、成本优点、噪音抑制以及ESD对策等方面也极具优势。

作为车载等级AVR系列提供的TDK贴片压敏电阻中特性尤为优异的推荐产品如下所示(表1)。其均在IEC61000-4-2的HBM试验中拥有施加电压达到25kV的耐量,不仅在要求高可靠性及长寿命的车载用途中,同时还在上述所示要求对反复施加电压拥有高耐量的产业设备中也显示出稳定特性。其中按尺寸记载了12V电路系统、24V电路系统中可使用的推荐产品。

表1 拥有优异反复耐量的车载等级推荐产品
电路系统 系列·型号 L×W尺寸
[EIA]
压敏电阻电压
V1mA
@DC1mA

(V)
额定电压
Vdc


(V)
静电容量
C
@1kHz,
1Vrms
(pF)
使用温度
范围


(°C)
12V
电路系统
AVRH10C270KT150NA8 1.0×0.5mm
[EIA0402]
27 19 15 -40 ~150
AVR-M1608C220KT6AB 1.6×0.8mm
[EIA0603]
22 16 560 -40 ~125
AVR-M2012C220KT6AB 2.0×1.2mm
[EIA0805]
22 16 800 -40 ~125
24V
电路系统
AVRH10C390KT500NA8 1.0×0.5mm
[EIA0402]
39 28 50 -40 ~150
AVRM1608C390KT271N 1.6×0.8mm
[EIA0603]
39 28 270 -40 ~125
AVR-M2012C390KT6AB 2.0×1.2mm
[EIA0802]
39 28 430 -40 ~125