压敏电阻(金属氧化物半导体)-原理及过压保护的应用

1興勤電子工業股份有限公司THINKINGELECTRONICINDUSTRIALCO.,LTD.ZnO壓敏電阻器產品介紹2006/02/16MarketingDept.21.壓敏電阻器概述2.壓敏電阻器基本特性大綱3.壓敏電阻器種類4.壓敏電阻器結構與製程5.壓敏電阻器電性參數6.壓敏電阻器選用與應用7.TKS壓敏電阻器產品品質測試8.TKS壓敏電阻器RDRoadmap31.壓敏電阻器產品概述﹕壓敏電阻器(Varistor)是由VariableResistor兩字合併而來，是一種因外加電壓的改變，而呈非線性指數電阻變化的電阻體(亦別名「非線性電阻體﹞)，不僅可穩定電壓，也由於具有吸收突波的功能，因此俗稱突波吸收器(SurgeAbsorber)。IV(b)(b)(c)(c)(a)：SiCVaristor(c)：ZnOVaristor(b)：SiZenerDiode(a)(a)(d)(d)(d)：LinearResistor42.1壓敏電阻器基本特性﹕當外加電壓在臨界值以上，其電阻值隨電壓升高而急速下降，以便於大電流通過。換言之，壓敏電阻器在臨界電壓以下時，電阻值很高，能阻止電流通過，表現出絕緣體的特性。CircuittobeProtectedNormalStateCircuittobeProtectedOvervoltageStateOvervoltagesoccur(1)可分辨穩定電路電壓或突波，只在突波電壓發生時才進行運作(3)需耐得住反覆所施加的突波電壓(2)吸收突波後，即恢復吸收突波前的預備狀態52.2SMD型壓敏電阻器微觀結構﹕理想ZnO變阻器的微觀結構晶界層：高密度的深陷能—高電阻。厚度均勻性。熱穩定。尖晶石結構：無必要關係。ZnO晶粒：表面處具有高電阻係數—Leakage電流小。本體內具有低電阻係數—可通過大電流。均勻的晶粒大小，使生坯緻密，突波耐量性佳。GrainBoundaryVI62.3壓敏電阻器V-I特性曲線﹕Voltage(V)1010010001.E-081.E-071.E-061.E-051.E-041.E-031.E-021.E-011.E+001.E+011.E+021.E+031.E+041.E+05Current(A)Voltage(V)R=109R=1~10I=KV1000500100502010NORMALOPERATIONLEAKAGEREGIONUPTURNREGION10-810-610-410-2100102104Current(A)73.壓敏電阻器種類介紹﹕SMD型(表面黏著)Disk型(穿孔式插件)8NO部位材質保護層(Coating)Silicon/Epoxy樹脂(SiliconResin)電極層(Electrode)銀(Ag)本體元件(Element)陶瓷體(97%ZnO、Bi、Mn、Co、Ni…..Oxide)引腳(Lead)鍍錫銅線(TinnedCopperWire)4.1.1DISC型壓敏電阻器結構94.1.2DISC型壓敏電阻器製作流程配料噴霧造粒成型加水滾料排膠燒結印刷導線成型插入焊接塗裝打印精選MARKM包裝：表連線作業MARKMARK104.2.1SMD型壓敏電阻器結構NO.ComponentMaterial1Element97%ZnO+BiO3+Co2O3+MnO2+NiO‧‧‧2BaseelectrodeAg/Pd3OuterelectrodeAg/Ni/Sn11滾料薄帶成型薄帶分離堆疊冷均壓印刷切粒端電極燒銀電鍍測試包裝燒結4.2.2SMD型壓敏電阻器製作流程125.1壓敏電阻器目錄135.2壓敏電阻器電性參數(1)壓敏電壓(V1mA)：特定的電流(1mADC)流經壓敏電阻器時，兩端所量得之電壓值。(2)最大連續工作電壓(VDC/VAC)：可連續加於電路上而不致使壓敏電阻器產生劣化情況的電壓值。-Tolerance+Tolerance1010010001.E-081.E-071.E-061.E-051.E-041.E-031.E-021.E-011.E+001.E+011.E+021.E+031.E+044.E+0412310-810-610-410-2100102104Current(A)1000500100502010Voltage(V)VDC141010010001.E-081.E-071.E-061.E-051.E-041.E-031.E-021.E-011.E+001.E+011.E+021.E+031.E+044.E+0412310-810-610-410-2100102104Current(A)1000500100502010Voltage(V)VDC5.3壓敏電阻器電性參數(3)漏電流(IL)：在正常工作電壓下，壓敏電阻器相當於絕緣體這時流經壓敏電阻器的電流稱為漏電流。-Tolerance+Tolerance155.4壓敏電阻器電性參數uA整流線路限流電阻R2高阻R1RPC1接地開關KF1接地電阻R4放電開關KF2RL測試樣品8/20uS:Tr=8uSTd=20uS0105010090TimeTrTdTrailingedgeImaxLeadingedgeCurrent(%)(4)最大限制電壓(ClampingVoltage)：以特定的脈衝電流(8/20us波形)加於壓敏電阻時，於壓敏電阻上所得到的最大電壓。165.5壓敏電阻器電性參數(5)額定功率：在特定的溫度85℃下工作1000hrs，使壓敏電壓變化小於10%之最大功率。AMBIENTTEMPERATURE℃1009010203040506070800-40-30-20-10080706050403020101251101009085POWERDERATING(%)WATTS120測試線路AV175.6壓敏電阻器電性參數0.11101001000101001000100001210310102106Td(us)104105Imax.:Max.SurgeCurrent(A)最大沖擊電流減額曲線185.7(a)最大沖擊電流耐受性測試8/20uS:Tr=8uSTd=20uS0105010090TimeTrTdTrailingedgeImaxLeadingedgeCurrent(%)uA整流線路限流電阻R2高阻R1RPC1接地開關KF1接地電阻R4接地開關KF2RL測試樣品最大沖擊電流：以特定的脈衝電流(8/20us波形)衝擊壓敏電阻一次，使得壓敏電壓V1mA變化仍在10%以內之最大沖擊電流。19最大能量：以特定的脈衝電流(10/1000us波形)加於壓敏電阻後，其壓敏電壓V1mA變化率仍在10%以內之最大能量。E=k*Ip*Vp*Td(k為波形係數)uA整流線路限流電阻R2高阻R1RPC1接地開關KF1接地電阻R4放電開關KF2RL測試樣品10/1000uS:Tr=10uSTd=1000uS0105010090TimeTrTdTrailingedgeImaxLeadingedgeCurrent(%)5.7(b)最大沖擊電流耐受性測試﹕20(1)ContactDischargeAirDischarge2,000VLevel12,000V4,000VLevel24,000V6,000VLevel38,000V8,000VLevel415,000VSpecialLevelXSpecial(2)可產生正、負極性，0.2~30.0KV之靜電放電(3)可任意更換放電電容及電阻5.7(C)ElectrostaticDischarge(ESD)靜電耐受性測試IEC-61000-4-2216.1壓敏電阻器之選用方法:1、確認最大的系統電壓(直流或交流)：選擇壓敏電阻的最大允許工作電壓(高於系統電壓的10%~25%)。2、確知突波電壓、電流和頻率：選擇壓敏電阻器的限制電壓及尺寸(最大限制電壓應小於機器之耐壓才有保護作用)。3、確認突波的侵入方式：選擇安裝位置。226.2壓敏電阻器之選用方法:確認突波來源及其通路確定壓敏電阻的連接方式確定所需的壓敏電壓及最高抑制電壓檢查壓敏電壓的突波耐量和脈衝壽命是否足夠檢查受保護電子產品所使用電源穩定的程度檢查壓敏電壓的最大能量和能量壽命是否足夠檢查是否符合下列關係：突波峰值電壓＞受保護電子產品最高耐電壓＞壓敏電阻最高抑制電壓＞真正產生抑制電壓＞壓敏電阻之崩潰電壓＞最大連續工作電壓(VDC，VAC)＞受保護電子產品之工作電壓時間受保護電子產品最高耐電壓受保護電子產品之工作電壓壓敏電阻最高抑制電壓壓敏電壓(崩潰電壓)最大連續工作電壓(VDC，VAC)突波峰值電壓真正產生抑制電壓236.3壓敏電阻器之應用(1):受保護設備TVMAC/DCFig.1單相系統相間的突波吸收受保護設備TVMTVMTVMAC/DCFig.2單相系統相間及相對地間的突波吸收受保護設備TVMTVMTVMAC220VFig3三相系統相間的突波吸收受保護設備TVMTVMTVMTVMTVMTVMAC220VFig.4三相系統相間及相對地間的突波吸收電源供應器（保護設備免受電源突波損壞）壓敏電阻有許多優點，使其成為一理想的交、直流突波吸收器246.3壓敏電阻器之應用(2):電感性負載轉換時的零件保護圖中的電晶體用於操作一線圈，電感性負載，儲存於電感中的能量，以電晶體反向偏壓來釋放出來，如此可能損害電晶體，壓敏電阻可接在集極上，以正偏壓方向來釋放儲能而免破壞電晶體。V+Fig.5壓敏電阻的線圈保護.固態電路的突波保護現代含有電子電路的設備及電氣用品，極易於受到突波電壓的破壞或誤動作。Fig.6半導體的保護25壓敏電阻器6.3壓敏電阻器之應用(3):延長繼電器接點的壽命當電感性的負載受到機械接點的中斷時，接點間的電壓升高而產生弧火，而損害接點，壓敏電阻可用來預防弧火的產生。MFig7.接點保護訊號傳輸端雜訊抑制266.3壓敏電阻器之應用(4):行動電話應用（ESD防護）晶片型壓敏電阻PowerlinesKeypadsDatalineHeadset27電路說明：D0為過放電控制端子C0為過充電控制端子鋰電池電（ESD防護）6.3壓敏電阻器之應用(5):Li-lonProtectionDeviceDOCOLi-on/Li-PolymerCellP+P-VccThermistorIDTVMNTC28TKSSMDVaristorforESDApplicationSelectionGuide(興勤SMD變阻器ESD應用選型建議表)Frequency/DataRate(頻率或傳輸速度)RecommendedCapacitance(建議電容值)RecommendedP/N(建議料號)ApplicationExample(應用範例)040220~20KHz10pF~350pFTVM0G090M201TVM0G5R5M261TVM0G5R5M411Audio(Microphone/Speaker)115.2KHz10pF~180pFTVM0G140M151TVM0G090M141RS232,IrDA1.01.5Mbps10pF~50pFTVM0G140M400TVM0G180M500TVM0G180M300Wirelessdevice12Mbps3pF~12pFTVM0G180M030TVM0G5R5M100TVM0G180M120USBPort296.4壓敏電阻器與保險絲的保護協調壓敏電阻與保險絲需做保護協調，限制電流以免破壞壓敏電阻，表1係不同尺寸大小的壓敏電阻，基本的適用保險絲。Dimension(mm)Φ5Φ7Φ10Φ14Φ20Fuse(A)1to22to33to53to105to15Chart1.適用不同尺寸壓敏電阻的保險絲VLINEFvFL受保護的設備306.5壓敏電阻器產品失效模式失效模式原因圖示短路長時間大電流流經產品，高熱導致陶瓷體薄弱處產生約1mm左右的貫通孔，此時會呈短路狀況，一般設計會與fuse做保護協調，在此短路狀況下