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选压敏电阻还是TVS管?二者导通机理和应用分析与对比
发布者:深圳市踏歌科技辽宁福彩网  发布时间:2017-01-04
  氧化锌压敏电阻器与TVS管都是ESD防护常用的器件,对提升整机的ESD性能有非常重要的作用。但是氧化锌压敏电阻器与TVS管的导电机理及结构各有差异,因此在具体应用表现也不尽相同。本文将对二者在导电机理,脉冲能量耗散机理,ESD防护时的响应时间的不同进行分析阐述,纠正在响应时间认识上可能存在的误区,从而使读者更好的认识压敏电阻和TVS。

  一、导电机理
  1. 氧化锌压敏陶瓷
  氧化锌压敏陶瓷是一种以氧化锌为主体、添加多种金属氧化物、 经电子陶瓷工艺制成的多晶半导体陶瓷元件,具有非线性导电特性,是抑制过电压、吸收浪涌能量、ESD防护的主要元件材料。
  氧化锌压敏陶瓷的微观结构如图1所示。是由氧化锌晶粒及晶界物质组成的,其中氧化锌晶粒中掺有施主杂质而呈N型半导体, 晶界物质中含有大量金属氧化物形成大量界面态,这样两个晶粒和一个晶界(即微观单元)形成一个类似背靠背双向NPN结, 整个陶瓷就是由许多背靠背双向NPN结串并联的组合体。
  由于氧化锌压敏陶瓷晶界非常薄,仅有埃数量级,则当施加电压小于其反向PN结击穿电压时,属于肖特基势垒热电子发射电导,其导通电流与PN结势垒及温度有关;当施加电压大于其反向PN结击穿电压(3.2V)时,属于隧道电子击穿导电,其导通电流只与所施加电压有关,隧道电子击穿时间是几十到百皮秒。
选压敏电阻还是TVS管? 二者导通机理和应用分析与对比
  图1 微观结构        图2 等效电路
 
  图2是压敏电阻器的等效电路。其中:当施加电压小于其反向PN结击穿电压时,Rb远大于Rg,施加电压几乎全部加在晶界上,Rb>10M;
  当施加电压大于其反向PN结击穿电压时,晶界产生隧道电子击穿导电,Rb远小于Rg,施加电压加在晶粒和晶界上,Rg+Rb阻值只有欧姆级;
  因此当外施电压小于氧化锌压敏陶瓷晶界击穿电压(即压敏电压)时,压敏电阻呈现绝缘体高阻值,其漏电流仅有微安级;当外施电压大于氧化锌压敏陶瓷晶界击穿电压(即压敏电压)时,压敏电阻呈现导体低阻值,通过电流有几十安培,而且外施电压小幅提高,通过电流急速增长。
  氧化锌压敏陶瓷的典型V-I特性曲线如图3所示:
选压敏电阻还是TVS管? 二者导通机理和应用分析与对比
  图3 压敏电阻器伏安特性曲线
 
  片式氧化锌压敏电阻器是采用氧化锌压敏陶瓷材料,经过电子陶瓷流延工艺制成的多晶半导体陶瓷元件。
  由于片式氧化锌压敏电阻器可应用于电子电源线路和数据传输线路中,因此被保护电路的工作电压范围较宽,同时数据线对其电容有特殊要求。通过结构设计和工艺调整(如层数和膜厚等),可以得到不同线路保护要求的压敏电阻器。其结构和线路如图4:
选压敏电阻还是TVS管? 二者导通机理和应用分析与对比
  图4:片式压敏电阻器结构和电路示意图

  二、TVS管
  TVS(TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR)或称瞬变电压抑制二极管是在稳压管工艺基础上发展起来的一种新产品,其电路符号和普通稳压二极管相同,外形也与普通二极管无异,分为单向和双向,具有非线性导电特性,用于线路抑制过电压、ESD防护。
  目前TVS管PN结的反向击穿电压一般大于6V,当施加电压小于其反向PN结击穿电压时,属于肖特基势垒热电子发射电导,其导通电流与PN结势垒及温度有关;当施加电压大于其反向PN结击穿电压(6V)时,属于雪崩电子击穿导电,其导通电流只与所施加电压有关,雪崩电子击穿时间可达1~2ns。
  由于TVS管也是PN结微观结构,其等效电路类似图2。TVS管只有PN结,无晶粒电阻,即Rg=0。因此当施加电压大于其反向PN结击穿电压时,PN结雪崩电子击穿导电,施加电压主要加在PN结电阻Rb上,Rb阻值只有欧姆级,因此当外施电压大于TVS击穿电压(即压敏电压)时,呈现导体低阻值,通过电流有几十安培,而且随着通过TVS电流急速增长,而TVS两端电压仍然很低(相对片式氧化锌压敏电阻器而言)。其伏安特性曲线见图5。
选压敏电阻还是TVS管? 二者导通机理和应用分析与对比
  图5  TVS管伏安特性曲线

  三、能量耗散对比以及对应用表现的影响
  基于以上导通机理分析,当片式TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时,它能以纳秒级时间使其PN结阻抗骤然降低,将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上,从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。由于TVS管内部仅是雪崩PN结结构,在导通时TVS两端呈现导体低阻值特性,从而限制电压较压敏电阻更低,在TVS上支路上的通流更大,该特性适合应用于耐ESD电压特别差或者被保护部位阻抗特别小的部位(如听筒,MIC,音频等)。但TVS无法吸收瞬间脉冲能量,只能将能量单方向传导至线路的公用地线上,有可能对连接到该公共地的其他ESD敏感器件造成二次破坏。
  压敏电阻内部微观结构是无数个PN结和晶粒的串并联结合体,可以吸收和传导能量,当线路中产生任何过电压时,压敏电阻器迅速从兆欧级绝缘电阻变为欧姆级的电阻,将过电压抑制到较低的水平并吸收部分能量,因此压敏电阻的吸收能量的能力比TVS管要强,并且能防止ESD造成的瞬态EMI和二次破坏。压敏电阻的特性特别适合于电源部位和较大瞬态能量的部位过压防护。

  四、响应时间
  作为过电压保护元件,当过电压出现时,保护元件从高阻值绝缘体变为低电阻导体、即将过电压的峰值电压大幅降低的时间,称为过电压保护元件的响应时间。只有过电压保护元件的响应时间小于过电压的上升时间,才具有过电压的抑制功能。
  过电压保护元件响应时间是由元件材料及结构决定的,当产品结构中存在寄生电感、电容时,除对保护元件响应时间影响外,还会影响过电压产生瞬间线路的振荡过程。
  目前很多设计人员的意识里存在压敏电阻响应时间比TVS慢的误区,器件的响应时间一般由材料和产品结构决定,下面对这两个因素进行分析。
  1、材料本征响应时间
  由上面的导通机理分析可以知道,氧化锌压敏陶瓷导电机理是隧道击穿,所以其材料响应时间就是其隧道电子击穿时间,一般为0.3ns。TVS管导电机理是雪崩击穿,其响应时间就是其雪崩电子击穿时间,一般在0.5~1ns之间。
  2、产品结构对响应时间影响
  片式氧化锌压敏电阻器采用多层独石结构,其寄生电感非常小,对其响应时间影响甚微,有些设计人员谈到的压敏电阻响应时间慢主要指用于AC端防浪涌的插件压敏电阻,因为较长的引线引入寄生的电感导致响应时间较慢(25ns)。而TVS管为了SMT要求,在其两端设计电极引线,也会产生寄生电感,对其响应时间有一定影响。
选压敏电阻还是TVS管? 二者导通机理和应用分析与对比
  图6 ESD波形
 
  而ESD放电波形一般在1nS达到峰值(如图6),这就需要过电压防护器件在1nS内迅速响应,钳制过电压,保护IC和ESD敏感线路。从响应时间看,片式压敏电阻和TVS的响应时间都满足ESD防护的需求,从而起到良好的防护效果。

  综合以上分析和对比,片式氧化锌压敏陶瓷电阻和TVS管均是抑制ESD的有效器件,TVS管限制电压较低,瞬态内阻较小,适合应用于耐ESD电压特别差或者被保护部位阻抗特别小的部位(如听筒,MIC,音频等)。而压敏电阻的吸收能量的能力比TVS管要强,除了一般的ESD防护,也特别适合于电源部位和较大瞬态能量的部位过压防护。在响应时间方面,要避免陷入片式氧化锌压敏陶瓷电阻的响应时间慢的误区。由于工艺的差异,片式压敏电阻的价格要远低于TVS,表现出良好的性价比,设计人员可以根据电路的实际应用灵活选择片式压敏电阻或者TVS。
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