片式压敏电阻及其应用

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1、片式压敏电阻及其应用钱振宇，史建华随着电子产品小型化和多功能化的发展，集成电路的集成度和速度大幅度提高，表面贴装技术得到广泛应用。与此同时，电路的敏感度也在不断提高，电路中的半导体芯片在电脉冲的冲击下显得越来越脆弱。通过传导和感应进入电子线路的各类电磁噪声、浪涌电流、甚至人体静电放电都能使整机产生误动作或损坏半导体元器件。芯片内部的保护电路由于受到芯片空间的限制，无法做得很大，不可能将完善的、保护芯片的线路和器件一起集成在芯片里面，这样就有必要为芯片安装辅助的片外静电放电抑制器件。传统的圆片型氧化锌压敏电阻由于尺寸过大、压敏电压过高、响应速度慢、

2、能量耐受能力小等缺点，不能满足新型电子产品静电放电保护的要求。而目前片式叠层氧化锌压敏电阻已在逐渐取代圆片型压敏电阻，甚至硅瞬变电压吸收二极管（TVS管），成为新型电子产品静电放电保护的首选元件。图1是日本MARUWA公司提供的采用硅瞬变电压吸收二极管与片式叠层氧化锌压敏电阻来抑制静电放电效果的试验对比，用来说明为什么片式叠层氧化锌压敏电阻会成为新型电子产品静电放电保护的首选元件。图中的试验配置（图a）是参照IEC61000-4-2标准（我国的GB/T17626.2标准与之等同）关于静电放电波形校准的要求来布局的。图b是不采用任何抑制措施时得到的

3、放电波形；图c和图d分别是采用硅瞬变电压吸收二极管和片式叠层压敏电阻以后得到的放电波形。很明显，尽管放电波形在采用抑制器件以后受到了限制，图c和图d的大部分波形被拉平了，但是两者还是有明显差异，其中图c的前端有一根“尖刺”，而图d则没有。差异的产生原因是硅瞬变电压吸收二极管的响应速度非常快，达到ns级，而放电波形的前沿也是ns级，因此在波形吸收的瞬间，吸收电流的电流变化率（di/dt）非常高，尽管硅瞬变电压吸收二极管（TVS管）的管脚可以剪得很短，毕竟还是有一定分布电感L，所以在放电电流吸收的瞬间还是有一个相当量级的Ldi/dt存在，这就是出现尖

4、刺的主要原因。对图d来说，片式叠层压敏电阻具有与硅瞬变电压吸收二极管相似的响应速度，但是压敏电阻本身又具有一定相当数量的一个静电容，正是这个电容的存在，滤除了本应存在于波形前端的尖刺。这样看来一个片式叠层压敏电阻可以等效于一个硅瞬变电压吸收二极管再加上一个滤波电容（图2），因此用片式叠层压敏电阻可以取得比硅瞬变电压吸收二极管更好的静电放电抑制效果。静电放电吸收元件●MARUWA公司CUS10A080M-TP●静电接触放电波形（无吸收元件）●TVS管压敏电阻吸吸吸收收收电电电压压压VVVb)时间（ns）c)时间（ns）d)时间（ns）图11一个片式

5、叠层压敏电阻相当于由一个双方向的TVS管（或者两个单方向的TVS管）与一个贴片电容组成的保护电路，故在体积和吸收性能方面都占优图21片式叠层压敏电阻的特点片式叠层压敏电阻是一种基于氧化锌压敏陶瓷材料，采用特殊的制造和处理工艺而制得的高性能电路保护元件，其伏安特性能够为受保护电路提供双向瞬态过压保护。与传统的圆片型氧化锌压敏电阻相比，片式叠层压敏电阻具有以下优点：①体积更小目前3×1.5mm已经成为片式叠层压敏电阻的标准尺寸，这仅为同类圆片型压敏电阻器和TVS管尺寸的1/4到1/3。2×1.25mm、1.6×0.8mm和1×0.5mm等尺寸标准也很

6、快得到了应用。日本的村田制作所和松下公司甚至在1997年和1998年就已创纪录地推出了0.5×0.25mm型片式叠层压敏电阻。②能量耐受能力和通流能力更高为说明这一问题，以西门子－松下公司生产的圆片型压敏电阻和片式压敏电阻的性能进行比较，详见表1所示。表1项目圆片型片式型号CN1812K11GS05K11面积0.196cm20.144cm2压敏电压18V18VImax(8/20μs)100A800AWmax(2ms)0.3J1.9J由表1可见，对于压敏电压相同的圆片型和片式压敏电阻产品，后者的8/20μs脉冲电流峰值和2ms方波能量耐受能力可分别

7、达到前者的8倍和6倍。这是因为叠层结构使得可用电极的面积增加，也使电流分配更加均匀所造成的。在片式叠层压敏电阻内部，氧化锌陶瓷层与金属内电极层是相互交替叠合的结构，相邻的两内电极与所夹的陶瓷层组成一个单层“压敏电阻”，这些小的“压敏电阻”又通过外电极彼此并联在一起，从而大大提高了叠层压敏电阻的有效电极面积，使得瞬态过电压所产生的热量能均匀地耗散在外电极间的整个区域内，从而保证了元件高的能量耐受能力。同时，叠层结构使得器件具有类似大电流功率晶体管的外电极电流注入模式，这对于实现其大通流容量同样重要。③残压比小，保护性能好压敏电阻保护性能的好坏主要取

8、决于残压比（大电流通过时的限制电压与压敏电阻的压敏电压之比）。由于采用多层结构，当脉冲电流峰值一定时，流过片式叠层压敏电阻两内电极间的电