我們今天分享一下壓敏電阻的選型以及相關(guān)計算的知識。

首先我們需要回答一個問題，為什么需要壓敏電阻。壓敏電阻，顧名思義，對電壓很敏感的電阻;中文這個“敏感”對應(yīng)到電路中，應(yīng)該就是一個非線性的變化：當(dāng)電壓達(dá)到一定的數(shù)值的時候，器件的阻抗呈現(xiàn)出劇烈的變化，這個劇烈的變化應(yīng)該是量級上的。我們之所以會需要這種特性的電阻，肯定是電氣設(shè)備中會遇到這樣的源，需要這樣的響應(yīng);反過來說，如果沒有這樣的響應(yīng)，電路中的其他相鄰或者相關(guān)器件就會出問題。

大自然的起電方式，其實主要有兩種，一個是感應(yīng)起電，一種是摩擦起電。我們常用的水電、風(fēng)電、火電等等，本質(zhì)上屬于感應(yīng)起電，發(fā)電的過程本質(zhì)上屬于機(jī)械能通過電磁感應(yīng)現(xiàn)象轉(zhuǎn)化成電能的過程。這些電能經(jīng)過升壓之后，進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，然后再經(jīng)過降壓，最后變成我們?nèi)粘Ｊ褂玫?20V的交流電。摩擦起電，我們比較熟悉的就是靜電現(xiàn)象，以及雷電現(xiàn)象。靜電，大家很多人肯定都有切實的感受，尤其是在冬天的時候。雷電，其實蘊(yùn)含著非常巨大的能量，可是因為它的位置飄忽不定以及瞬間非常高的電能釋放，人類到目前為止也沒有辦法馴服雷電，讓它為人類所用。目前能做的，還是想辦法避免它造成的災(zāi)害。

其實壓敏電阻這個器件之所以被發(fā)明出來，就是為了在雷擊的發(fā)生的時候，防護(hù)器件的。雷電的存在是不以人的意志為轉(zhuǎn)移的，對于這個電源，我們利用不了它，但是總不能被其所害。由于雷電產(chǎn)生的高壓高能量具有瞬間性，那么必然要求防護(hù)器件也具有這樣的響應(yīng)特性。壓敏電阻也就應(yīng)運(yùn)而生了。

壓敏電阻外觀上，大體就是這個樣子。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么樣子的呢?實際上壓敏電阻是使用陶瓷工藝制作而成，它內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)中包含氧化鋅的晶粒以及晶界。晶粒因為內(nèi)部晶體分子排列非常整齊，所以電阻率很低;晶界則不然，它的電阻率卻很高。相互接觸的兩個晶粒之間相當(dāng)于形成了一個齊納二極管的勢壘，這個其實就是一個壓敏單元。每個壓敏單元的擊穿電壓差不多是在3.5V。壓敏電阻的基體就是很多這樣的單元進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)而成。串聯(lián)的單元越多，它的擊穿電壓也就越高;并聯(lián)的單元越多，它的通流量也就越大。壓敏電壓在工作的時候，它的每個單元都在承受浪涌電能量，而不像齊納二極管那樣，只有結(jié)區(qū)才承受電功率，這也就是壓敏電阻能夠承受大得多的浪涌能量的原因。

我們先來看一下壓敏電阻的位置，一般在開關(guān)電源中，壓敏電阻處在接線端子的后面，和LN之間的負(fù)載是并聯(lián)的。

我們看一下雷擊能量過來的時候，壓敏電阻是如何實現(xiàn)對相關(guān)器件保護(hù)的。正常工作的時候，壓敏電阻兩端之間的阻抗是非常大的，可以近似地看成是開路的(實際上存在著非常微小的漏電流，一般10-20uA)。一旦雷擊能量來了，會有瞬間高壓加載壓敏電阻上，這個時候壓敏電阻就會被擊穿，呈現(xiàn)出非常低的阻抗。這個內(nèi)阻在雷電這個能量源的內(nèi)阻Re面前，相對來說非常小，那么根據(jù)電阻分壓的原理壓敏電阻上的電壓就會非常小。壓敏電阻和后級負(fù)載是并聯(lián)關(guān)系，因為壓敏電阻相對負(fù)載電阻來說也非常小，所以大量能量都是從壓敏電阻流過，被壓敏電阻吸收了。通過這樣的方式，就實現(xiàn)了對負(fù)載的保護(hù)。

講完了壓敏電阻的基本原理，我們來看一下壓敏電阻該如何選型，既然要提到選型，肯定離不開壓敏電阻的各種參數(shù)，只有深刻理解了這些參數(shù)，我們才能對壓敏電阻的選型更加自如。我們先來看一下，常用的471KD10和471KD20這兩款壓敏電阻。

我們首先需要回答的是，這個命名是什么意思，一般情況下命名標(biāo)記上往往會一個器件最關(guān)鍵的信息。這個名字可以分為兩個部分，第一個部分是471K：471，表示壓敏電壓是47*10^1 = 470V; K表示精度誤差在+/-10%左右。第二部分，D10(或者20)，表示壓敏電阻的直徑是10mm還是20mm，從數(shù)據(jù)上來看，肯定直徑越大，壓敏電阻的個頭越大。

下面，我們就從名字入手來解釋壓敏電阻的一些指標(biāo)。第一個關(guān)鍵詞就是壓敏電壓，那什么是壓敏電壓呢?壓敏電壓是指在壓敏電阻上加上一個直流電壓，如果流過壓敏電阻的電流達(dá)到1mA，這個時候的直流電壓就被稱之為壓敏電壓，所以有時候壓敏電壓也用U1mA或者V1mA來表示。比如對于471KD10，這款壓敏電阻，它的壓敏電壓就是470V。因為器件的一致性問題，或者說誤差的存在，K級別的壓敏電阻的壓敏電壓在423V(470V*0.9)到517V(470V*1.1)之間。

我們下面來看一下最大允許工作電壓，這個指標(biāo)的意思其實是壓敏電阻能夠長時間承受的最大電壓，這個電壓分為交流電壓和直流電壓。一般最大允許的交流電壓是壓敏電壓的0.64倍，最大允許的直流電壓是壓敏電壓U1mA的0.82倍。

最大鉗位電壓也就是我們說的殘壓或者說最大限制電壓，是指給壓敏電阻施加規(guī)定的8/20us波沖擊電流時它兩端的電壓。這個8/20us沖擊電流是什么意思呢?也就是8us中達(dá)到峰值電流的90%，20us后電流降低到峰值電流的50%，這個沖擊電流是模仿雷電的沖擊電流來設(shè)計的。從這個電流的波形上就可以看出，壓敏電阻其實并不需要太快的響應(yīng)速度，這個器件更重要的使命是能夠能量吸收掉，當(dāng)然這個都是相對于TVS二極管而言的。我們選擇壓敏電阻的時候，它的殘壓一定要小于被保護(hù)電器的耐壓水平，否則就達(dá)不到保護(hù)的目的。

我們這里要注意呀，有些產(chǎn)品的datasheet中，在這一欄里面有一個和鉗位電壓相對應(yīng)的電流值。其實這個電流值的意義不大，我們只需要關(guān)注最大鉗位電壓這個值。

最大通流量，是指最大脈沖電流的峰值是指環(huán)境溫度為25°情況下，對于規(guī)定的沖擊電流波形和規(guī)定的沖擊電路次數(shù)而言，壓敏電壓變化不超過+/-10%的最大脈沖電流。大家可以看一下，471KD10的最大通流量可以達(dá)到2500A，這個電流是超級大的。用這么大的電流去沖擊壓敏電阻的話，會對壓敏電阻這個器件本身造成傷害的?；旧洗騻€10來次，壓敏電阻就損壞掉了。我們選擇壓敏電阻的時候，器件本身所能夠承受的最大通流量一定要大于實際工作中所承受的通流量。

我們這里需要注意了，在datasheet里面，最大限制電壓這個值是在一定的電流值下測出來的，比如我們這個471KD10就是在25A的時候，最大限制電壓為775V。實際進(jìn)行EMC測試的時候，沖擊電流肯定是大于這個的，比如我們進(jìn)行4000V雷擊測試的時候，考慮走線上的電阻、壓敏本身的電阻、NTC的電阻，差不多有5R左右，那么沖擊電流就有800A左右。那么此時的限制電壓或者說鉗位電壓是多少呢?實際上壓敏電阻通流越大，肯定限制電壓也就越高，但是這個升高的幅值沒有那么大，也就是說電流越大，壓敏電阻的阻抗越低。U = I*R，有增長，但是增長的速度是放緩的。25A的時候，最大限制電壓是775V，壓敏電阻的等效內(nèi)阻差不多是31R;我們假定800A的時候，它的限制電壓是1500V，此時壓敏電阻的等效內(nèi)阻是1.875R，為什么這個地方是假定呢，因為實際測試的時候，很少會去測這個值。大家可以看到一半壓敏電阻的后面，還有X電容、Y電容等吸收措施，這個電壓其實是上不去的。實際測試的時候，比如我們做8000V的雷擊實驗，實測X電容上端的電壓大約在500V左右，大概就是這個樣子。

講完了這個，后面還有一個最大能量值，其實這個最大能量值也是和壓敏電阻的直徑強(qiáng)相關(guān)的。我們說雷擊的電壓雖然高，但是畢竟時間短暫是吧，所以能量總值不是很大是吧。我們這里可以來算一下，比如4000V的雷擊，回路的總阻抗還是以5R來算，那電流值差不多是800A，我們說雷擊的持續(xù)時間一般是20us是吧。那么我們來算一下，這么短的時間內(nèi)，雷擊總共釋放了多少能量呢?

E = U * I * t = 4000V * 800A * 20S ÷ 1000000 = 64J

我們這里采用了估算的方式是吧，實際上電流不是一直都是800A的，具體波形上面我們也畫出來的，那這樣算的話，實際雷電釋放的能量差不多只有30J左右。這里面有不少能量被電線、保險絲、NTC電阻吸收掉了，實際上壓敏電阻吸收的能量還要少一些。

我們來看一下，最后一個指標(biāo)，壓敏電阻的額定功率。471KD10的額定功率是不是只有0.4W呀，也就是說壓敏電阻不能持續(xù)通過很小的電流是吧。這個從它的封裝大小也能看出來，實際上壓敏電阻不工作(沒有雷擊)的時候，它的漏電流是很小的，一般小于20uA，所以正常工作的時候，這個封裝功率都是可以滿足要求的。但是供電電壓是不穩(wěn)定的，那么流過壓敏電阻的電流值也會變大，但是長期工作下，471KD10所能承受的最大功率也就是0.4W。

講完了壓敏電阻的各個參數(shù)，我們具體選型的時候，最主要的兩個指標(biāo)。一個就是壓敏電壓，一個就是通流量。我們國內(nèi)市電的電壓是220V，但是這個電壓是有波動的，尤其是在供電質(zhì)量相對較差的農(nóng)村。我們假定正常情況下，電壓有20%的波動，那么市電的有效值也就變成了264V。我們根據(jù)有效值和峰值的關(guān)系，可以推算出來市電的峰值電壓在373V。這個373V也是一個大體的估計值，實際上峰值電壓可能比這個還高。我們選擇的471KD10這個壓敏電阻，我們計算下來它的開啟電壓是在423V到517V之間，是吧。但是我們說這個+/- 10%其實是正態(tài)分布的，也就是說存在極個別的壓敏電阻開啟開啟電壓小于423V的。綜合考慮電網(wǎng)的不穩(wěn)定性和壓敏電阻精度的問題，選擇開啟電壓大于470V是相對合適的。最大通流量這個指標(biāo)，根據(jù)剛才我們的算法，大體評估一下就可以了，這里很難有精確的計算。實際進(jìn)行EMC測試的時候，如果不能通過，就換大一號的。如果空間不夠，我們還可以選擇加強(qiáng)型的。

如果我們想降低殘留電壓，可以使用壓敏電阻和氣體放電管串聯(lián)的辦法，如下圖所示。

上圖的方案采用的是391壓敏電阻+600V的氣體放電管，因為氣體放電管導(dǎo)通之后殘余電壓非常低，壓敏電阻這里選擇391的，動作之后它的殘余電壓相比471也要低不少。391的鉗位電壓是650V左右，471的鉗位電壓是775V。R1、R2的作用是為了減少氣體放電管上的電壓，因為陶瓷放電管電容只有幾個pF，但是壓敏電阻有幾百個pF，根據(jù)電容分壓，陶瓷放電管上的電壓基本就等于電源電壓。

講完壓敏的好處，我們來看一看壓敏電阻的缺點。我們前面提到過，壓敏電阻主要是用來防止雷擊的，雷擊的能量其實是us級別的，實際上壓敏電阻的反映時間差不多是ns級別。另外它的個頭也相對較大，那么要實現(xiàn)對芯片器件更為精細(xì)的保護(hù)，這個時候壓敏電阻就有點吃力了。這個時候，一般使用TVS二極管，它的反應(yīng)時間更為迅速，響應(yīng)時間為ps級別的，而且它的體積也相對比較小，比如0603或者0402封裝。當(dāng)然TVS二極管不能流過較大能量，所以它一般處于防護(hù)的最后級。

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審核編輯：湯梓紅