贴片压敏电阻/陶瓷瞬时电压抑制器

技术注释

产品概要齐纳・TVS二极管和压敏电阻的区别是什么?使用时应进行比较的4个要点

Chip Varistors 贴片压敏电阻和TVS二极管用作过电压保护部件。
这些产品的结构和制造方法完全不同,但作为静电保护器件具有相似的性质。
因此,虽然在电路上都可以使用,但存在判断不能使用贴片压敏电阻的情况。
的确,由于其历史背景,产品目录和数据表中记载的不同项目很多,难以像电容器和其他通用部件那样,仅靠纸上记载的规格进行特性的比较。
因此,在本报道中,明确压敏电阻和二极管的不同之处,介绍可以进行二极管和压敏电阻比较的数据。

历史

1968年开发的氧化锌压敏电阻用于保护二极管免受雷击。 另一方面,二极管主要用于整流,其用途不同。 因此,产品目录和数据表中记载的不同项目很多,现在也难以单纯地进行比较。 在Automotive Electronics Council(车载电子部件评议会)制定的规格中,AEC-Q101适用于TVS二极管, AEC-Q200适用于压敏电阻,其内容大不相同。

图1 历史

贴片压敏电阻与TVS二极管的区别

结构

贴片压敏电阻是主要以氧化锌为基础的陶瓷半导体产品。 主要采用下图所示的积层结构,通过积层张数、层间的调整,可以控制击穿电压、静电容量。 而TVS二极管是P型半导体和N型半导体结合而构成的,是硅基ESD防护器件。 在二极管中,也有使用Au丝等的情况。

图2 贴片压敏电阻
图3 TVS二极管

I-V曲线

贴片压敏电阻和TVS二极管的电阻值会随施加电压的变化而改变。 贴片压敏电阻可以进行双向静电保护。 TVS二极管以前大多是有方向性的,但最近双向的TVS二极管也增加了。 但是,由于存在因方向性不同而不同的情况,所以需要注意。

图4 I-V曲线

对施加过电压的反应速度

从盘型压敏电阻等初期的压敏电阻时的记忆中,压敏电阻的反应速度慢,经常听到这样的话。 但是,如下图所示,贴片压敏电阻和TVS二极管对施加过电压的反应速度一样。 施加IEC61000-4-2 HBM +8kV后,在1ns以内达到峰值,400ns后施加在保护部件上的电压值几乎为0。

图5 对施加过电压的反应速度

静电容量

压敏电阻和TVS二极管的静电容量幅度大不相同。 由于贴片压敏电阻采用积层结构,所以可以通过增加内部电极的层数,增加静电容量。 用EIA0805以下的尺寸进行比较时,如下图所示,静电容量的最大值有近100倍的差距。 因此,在必须并联放入MLCC的线路中,也有可以用单个贴片压敏电阻应对的情况。

图6 静电容量

其他特性

其他的温度特性和插入损耗等,虽然贴片压敏电阻和TVS二极管有一些不同,但在用相同规格比较时动作相同。 由于在各数据表中记载了它们各自的动作,所以可以与TVS二极管进行比较。

图7 其他特性

在控制器区域网络(CAN)中使用贴片压敏电阻和TVS二极管时的4个要点

为了保护CAN Tranceiver,在控制器区域网络(CAN)中使用静电保护部件。 在此介绍在CAN线上选定静电保护部件时的要点。

最大允许电路电压

在控制器区域网络(CAN)串行总线拓扑结构中,使用CANH、CANL信号后,可获得显性(dominant)和隐性(Recessive)的电平状态。 显性时,在CANH线上施加3.5V左右的电压,静电保护部件在此电压时必须作为绝缘体发挥作用。 因此,在这次的情况下,需要选择最大允许电路电压为3.5V以上的静电保护部件。

此外,静电保护部件的漏电流具有温度依赖性,还需要考虑实际使用时的温度环境。 下图是典型的贴片压敏电阻和TVS二极管的漏电流温度特性。 随着高温的升高,漏电流会变大,但设计时使之低于50uA。

图8 漏电流温度特性

静电容量

CAN的最大通信速度为1Mbps,电路中并联插入的静电保护部件不能妨碍这种通信。 1Mbps(=0.5 MHz)时,必须选择插入损耗小的产品。 下图表明,可用于CAN通信的贴片压敏电阻和TVS二极管的插入损耗不会影响任何产品的通信。

图9 贴片压敏电阻和TVS二极管的插入损耗

浪涌保护能力

静电保护部件用于保护成套使用的IC和外围器件。 例如,下面是用于车载CAN Tranceiver的ESD耐量。

表1 ESD Durabitily of CAN Tranceiver for each IC
Tranceiver Vender 通信速度 Vesd HBM
CANH, L
SPLIT Other
A A公司 1Mbps ±12kV ±12kV ±12kV
B B公司 1Mbps ±12kV ±10kV ±4kV
C C公司 1Mbps ±6kV ±6kV ±4kV

从这个表可以看出,如果在CAN Tranceiver施加4kV以上的电压,可能会损坏。 此外,以下TLP数据表明,在相当于ESD 4kV的测试中,相当于8A的电流流过CAN Tranceiver。

图10 TLP数据

如果不使用静电保护部件,4kV的静电会导致8A电流流向CAN Tranceiver,CAN Tranceiver会损坏。 另一方面,从以下图可知,由于施加电压,压敏电阻、TVS二极管的电阻值急剧下降到2Ω以下。

图11 TLP数据

因此,因施加ESD产生的大部分电流流向保护元件,可保护CAN Tranceiver。 通过TLP数据,可以在设计时使用模拟的方式来确认流向CAN Tranceiver的电流。 这一次,举了一个简单的例子,如果知道其他电子部件的特性值,可以在实际测试之前确认ESD耐量。

ESD耐量

在许多情况下,需要成套部件的ESD耐量,也要求静电保护元件具有的性能。 产品的ESD耐量可以通过数据表确认。

TDK贴片压敏电阻的特点:反复施加ESD产生的ESD耐量

压敏电阻的反复浪涌耐量根据材料类型的不同而有很大不同,例如添加到主要成分ZnO中的添加剂的种类和组成等。 采用应用材料技术开发的独特材料的TDK贴片压敏电阻,其特点是反复浪涌耐量优异, 在频繁的ON/OFF动作中使用的电磁阀和步进电动机等领域,也提供可以代替稳压二极管等的产品。 详细情况参照这里的报道《拥有优异反复浪涌耐量的贴片压敏电阻》

TDK贴片压敏电阻的特点:小型化

TDK实现了EIA01005(0.4x0.2mm)尺寸的小型化。 另外,还在面向车载用途方面,应对AEC-Q200,批量生产行业最小的EIA0402(1.0x0.5mm)尺寸的产品。

图12 TDK贴片压敏电阻的特点:小型化

在Web上刊登数据表

TDK在Web上的数据表中发布了上述各数据。 提供了所有与TVS二极管比较所需的数据,确认数据表后,可进行简单的比较。