2015 十一月

多层压敏电阻

紧凑耐用型过压保护

过压及相关联的高浪涌电流能损害甚至损坏电气和电子设备,因此,可靠的过压保护必不可少。目前TDK集团基于一种新型陶瓷材料开发了一款高浪涌系列多层压敏电阻,该系列电阻不仅尺寸紧凑,且具有卓越的保护性能。

影响电气设备的过压其产生有多种原因,能量等级也不同,并可通过不同的途径引入。比如,根据IEC 61000-4-2测量的ESD脉冲主要影响通信设备的输入/输出,其中,测试等级为8 kV (接触放电)或15 kV(空气放电)。相关脉冲波形的特征是以纳秒为单位的电压上升,然而该脉冲的能量含量相对较低,仅为几个毫焦耳。

为了防止ESD事件发生,TDK集团提供了多种用于不同电压的小型CeraDiode®压敏电阻(SMD封装),最小封装尺寸仅为0.4 mm x 0.2 mm,其插入高度极低,仅为0.1 mm。也就是说,这些压敏电阻非常适合智能手机、平板电脑和可穿戴设备等移动以及尺寸日益紧凑的各种应用。

另一种过压主要通过电源线引入,可能由于附近的雷击或负载脱落引起。这些事件能引起长达几个纳秒的几千安的浪涌电流。情况最坏时,这些脉冲的能量能达到几千焦耳,比ESD事件还要高几倍。根据IEC 61000-4-5,对组件承受这些高能量脉冲的能力进行了测试,短路电流波形为8/20 µs,开路电压波形为1.2/50 µs(图1)。

图1:符合IEC 61000-4-5标准的脉冲波形


短路电流测试(8/20 µs)



开路电压测试(1.2/50 µs)

为了充分防止这些事件发生,保护设备的设计必须考虑可能产生的漏地电流和相应的能量级别。从这方面来说,传统压敏电阻的尺寸相对更大。

新型陶瓷材料使得设计更紧凑

为了改进多层压敏电阻的性能和紧凑性,TDK集团为新型高浪涌系列多层压敏电阻开发了一种新型陶瓷材料。该新型材料改进后的性能基于ZnO压敏电阻掺杂了更多的一种特殊的金属氧化物,从而产生了细粒状结构的陶瓷材料,每个单位体积产生的晶界也明显增多。因此,相同的组件有效体积内电流密度可能增加三倍多。与此同时,相对介电常数增加了几倍,使得电场强度 (EV) 也显著增加(相同体积,看图2)。

图2:传统和新型陶瓷材料的比较

由于ZnO压敏电阻陶瓷掺杂了特殊的金属氧化物从而形成细粒状结构,新型爱普科斯 (EPCOS) 多层压敏电阻具有更高的电场强度。其好处是双重的:一方面,相同组件体积内可集成更多的内部电极,因而可改进高浪涌性能;另一方面,相同性能可在更小组件上实现,使得压敏电阻的进一步小型化成为可能。

借助改进的电气性能,目前可通过增加内电极的数量来设计具有更高电压级别的压敏电阻,并显著增加组件的浪涌电流能力或在尺寸大幅度减小的组件上实现所需性能。浪涌电流能力为1200 A (8/20 µs) 的标准压敏电阻是按照EIA外壳尺寸为2220进行生产。通过使用新型陶瓷材料,TDK集团已经通过EIA外壳尺寸为1210的高浪涌系列组件成功获得相同性能,其体积相应减少了三倍多。由于小型化在这些应用中扮演着日益重要的角色,新型压敏电阻非常适合物联网 (IoT)或 工业4.0应用。

钳位电压越低,性能越好

由于TDK集团新型陶瓷材料允许的电场强度更高,内电极数更多,还有可能降低组件的钳位电压。组件上产生特殊浪涌电流时,如果过压事件发生就会产生钳位电压。对于相同电流,压敏电阻上的钳位电压越高,电气功率也越高,最终压敏电阻必须吸收的能量也越高。反过来说,钳位电压越低,吸收相同能量所需的电流能力越强。

比如,电流为10 A时,爱普科斯 (EPCOS) 现有浪涌保护系列CN2220K50E2GK2多层压敏电阻的钳位电压为135 V。与之相比,钳位电压相同(图3)时,使用改进型陶瓷材料的爱普科斯 (EPCOS) 高浪涌低钳位型CT2220S50E3G的浪涌电流能力可以达到400 A。因此,新型压敏电阻的防护等级显著提高。

图3:相同钳位电压时浪涌电流能力更强

新型爱普科斯 (EPCOS) 高浪涌/低钳位型压敏电阻钳位电压为135V时通过的浪涌电流可以达到400 A.

元件越少,保护越强

在实际应用中,为了借助SMD多层压敏电阻获得尽可能高的浪涌电流能力, 通常将几个组件并联。然而,由于压敏电阻的电压容差高达±20%,对于这些应用很有必要使用彼此精确匹配的组件。反过来说,这也是一个相当大的成本因素。另外一个缺陷是尽管容差范围很窄,不同元件在电气特征方面还是略有差别。因此,发生过压时,各组件承受的电流不同,偶尔由于负载过大引起压敏电阻故障。

借助新型TDK陶瓷材料,目前可能生产具有高浪涌电流能力的压敏电阻,该压敏电阻能针对单个组件提供必要的保护。因此,除了改进可靠性,还可能大幅减少组件数,这样不仅可节省印刷电路板的宝贵空间,还能降低材料和组装成本。

表:爱普科斯 (EPCOS) 高浪涌系列多层压敏电阻的关键数据
外形尺寸EIA 1210 至 2220
最大工作电压 [V DC]高达 65
1 mA时压敏电阻的电压 [V DC]高达 85
浪涌电流能力 [A, 8/20 μs]高达1 x 5000和10 x 3500
200 A时的钳位电压 [V]最大为135(新型陶瓷材料)
最大能量吸收 [mJ, 2 ms]高达 15,000
最大工作温度 [°C]125

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