压敏电阻、MLCV、TVS、PPTC和气体放电管的区别是什

作者:十博 发布时间:2020-12-05 22:57

  、气体放电管等电路保护器件的作用越来越重要,以便系统受到过压、过流、过热、浪涌、电磁干扰等情况下不受损坏。

  按照器件的伏安特性,保护器件可分为三大类:箝位型(TVS、ESD、MOV)、开关型(GDT、SPG、TSS)、过电流型(PPTC)。箝位型过电压保护器件为电压控制型器件。在电压达到击穿电压时,器件的电阻瞬间减小为低阻抗,泄放大浪涌电流,从而将浪涌电压限制在一个较低的水平。导通后,器件的箝位电压会高于击穿电压,器件两端的箝位电压与瞬间通过的浪涌电流大小成正比关系。

  箝位型过电压保护器件常应用于电源线、低频通信线路的过电压防护,代表产品有:瞬态电压抑制二极管(TVS)、金属氧化物压敏电阻(MOV)、静电保护(ESD)元件。其中,金属氧化物压敏电阻(MOV)除了英文名称Metal Oxide Varistors (MOV)、Voltage Dependent Resistor (VDR)、Varistor以外,压敏电阻器的中文名称也不少,在台湾地区还有突波吸收器、浪涌抑制器、吸波器等别称。

  瞬态电压抑制二极管(TVS)阵列封装后,成为瞬态抑制二极管阵列(TVS Array),也称为ESD(Electrostatic Discharge Protection Devices)静电保护元件。从工艺上看,ESD是将多个TVS晶粒或二极管采用不同的布局做成具有特定功能的多路或单路ESD保护器件,主要应用于各类通信接口ESD保护,如USBHDMIRS485、RS232、VGA、RJ11、RJ45、BNC、SIM卡、SD卡等。ESD器件封装多样化,从单路的DFN0201到多路的SOIC-16、QFN-10等,电路设计工程师可以根据电路板布局及接口类型选择不同封装的ESD器件。

  对于开关型过电压保护器件,当电压达到击穿电压后,其电阻瞬间减小为低阻态,泄放浪涌电流,并将浪涌电压限制在一个较低的水平。开关型过电压保护器件的特点是器件导通后其两端的电压会低于器件的击穿电压,常用于通信系统高频信号线浪涌防护,主要有陶瓷气体放电管(GDT)、玻璃气体放电管(SPG)、半导体放电管(TSS)。

  其中,陶瓷气体放电管(Gas Discharge Tubes, GDT)由封装在充满惰性气体的陶瓷管中具有一个或一个以上的放电间隙组成。GDT电气性能取决于气体种类、气体压力、内部电极结构、制作工艺等因素。GDT可以承受高达数十甚至数百千安培的浪涌电流冲击,具有极低的结电容,应用于保护电子设备和人身免遭瞬态高电压的危害。

  玻璃气体放电管(Spark Gap Protectors, SPG)也称强效气体放电管,通过电极之间的距离获得放电微隙,管内充有隋性气体,用玻璃管和杜镁丝线玻封而成。当SPG两端电压增高时,附近气体被电离,微隙处开始出现放电现象。随着两极压降逐渐增大,放电电流也随之增大,其电离区随之扩大,此时放电电流经气体电离区流向另一极,当电流继续增加到一定程度时,管内出现从辉光放电向弧光放电转换,产品由高阻状态进入低阻状态,SPG两端的电压也随之减小,从而对后面的电路起到保护作用,在异常电压消失后,产品又恢复到高阻状态。

  玻璃气体放电管主要考虑4个参数。直流击穿电压:在应用中,放电管的直流击穿电压下限值应高于线路的最大正常工作电压,否则会影响电路正常工作。脉冲击穿电压:要确保器件脉冲击穿电压值低于后级被保护线路所能承受的最高瞬时电压值。

  标称放电电流:根据应用场合及线路中可能出现的冲击电流强度,确定所选用放电管必须达到的耐冲击电流强度。续流问题:电压较高的有源电路不能单独使用气体放电管作为过电压保护器件。为了使放电管能正常熄弧,在有可能出现续流的地方,可在放电管上串联压敏电阻或自恢复保险丝等限流器件。

  PPTC(Polymer Positive Temperature Coefficient)是用聚合物制作的可反复应用的正温度系数热敏电阻。PPTC属于过电流型保护器件,常应用于小电流输入的电源线过电流保护,或两级过电压保护器件之间做退耦等。

  当有异常过电流通过时,PPTC产生的热量(为I2R)使聚合物基体膨胀,包裹在聚合物基体外的碳黑粒子会分开从而切断PPTC的导电通道使PPTC电阻将上升,从而减小异常过电流。当异常过电流故障清除后,PPTC聚合物分子收缩至原来的形状重新将碳黑粒子联结起来,导电通道会恢复,PPTC电阻又恢复到原来的低阻状态。上述过程可循环多次。

  PPTC最大的特点就是在其额定使用范围内,在每次电流故障后不需要更换,可反复多次应用于过电流保护,可有效节约维修时间及成本。PPTC选型注意以下参数:维持电流Ih:自恢复保险丝的维持电流应大于线路的正常工作电流,否则会影响线路正常工作。最大耐压Vmax:应大于线路的工作电压,否则容易导致PPTC失效。环境温度:PPTC对环境温度较敏感,应根据环境温度降额选取PPTC的维持电流。当环境温度大于85℃时,不建议使用PPTC。

  除了PPTC元件,其他电路保护器件都属于过电压类型。其中,GDT结电容低,绝缘阻抗大,是通流量最大的器件,可做到100kA(8/20μs)。GDT的导通为气体电离形成导电通道,需要较大的能量去激发它,有一个能量累积的过程,所以GDT的响应时间是所有过电压保护器件中最慢的一个。GDT可用于高速通信线路防雷保护,如同轴电缆,电话线接口,高清视频接口、以太网口等。

  MOV的通流量仅次于GDT,响应速度为纳秒级,广泛应用于交流电源线,低频信号线的防雷保护。使用中,由于GDT和SPG具有较大的绝缘阻抗,在AC输入端,常常和MOV串联到共模地来应用,以减缓MOV的老化。

  hyperfix为超大功率TVS,采用大面积芯片叠加制成,比普通的TVS功率大几十甚至几百倍,可直接替代MOV应用于交流输入端口的第一级防雷保护。hyperfix具有通流量大、响应速度快、无老化、箝位电压低等优点,适用于对防护器件要求较高的应用场合,如通信电源、飞机、机车等领域。

  TSS为一种具有负阻特性的浪涌保护器件,由于其特殊的PNPN结结构设计,在相同的芯片面积上,TSS可以做到比同尺寸及电压的TVS通流量大几倍,而电容比同规格的TVS小几倍,可以用于一些通信线、CAN总线等。TSS具有较高的性价比,是低速通信线路浪涌防护的理想选择。

  TVS一般采用贴片或插件封装,体积较小,常应用于直流电源线或低速通信线路的浪涌防护。ESD由多个二极管或TVS组合而成,导通时间较TVS慢一些,芯片晶粒面积也较小,可以做到小型微型化封装,结电容最小可以做到零点几个皮法,适用于高速数据线路的ESD防护,如HDMI、USB3.0、IEEE1394等。

  除了上述三大类器件,FAE工程师在系统电路设计中,应组合使用多个电路保护器件及方案。同时,还应考虑一些新型的保护产品,如贴片压敏电阻(Multi-Layer Ceramic chip Varistor,MLCV),这是一种利用氧化锌陶瓷制作的类似MLCC结构的多层片式陶瓷电压敏感电阻器,具有静电抑制型、常规过压保护型、高能型和高压型三种类型,常用于高速传输接口保护,具体以用户提供的数据表为准。

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