我們今天分享一下壓敏電阻的選型以及相關(guān)計(jì)算的知識(shí)。

首先我們需要回答一個(gè)問題，為什么需要壓敏電阻。壓敏電阻，顧名思義，對(duì)電壓很敏感的電阻;中文這個(gè)“敏感”對(duì)應(yīng)到電路中，應(yīng)該就是一個(gè)非線性的變化：當(dāng)電壓達(dá)到一定的數(shù)值的時(shí)候，器件的阻抗呈現(xiàn)出劇烈的變化，這個(gè)劇烈的變化應(yīng)該是量級(jí)上的。我們之所以會(huì)需要這種特性的電阻，肯定是電氣設(shè)備中會(huì)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(huì)出問題。

大自然的起電方式，其實(shí)主要有兩種，一個(gè)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(shí)的感受，尤其是在冬天的時(shí)候。雷電，其實(shí)蘊(yùn)含著非常巨大的能量，可是因?yàn)樗奈恢蔑h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(shí)壓敏電阻這個(gè)器件之所以被發(fā)明出來，就是為了在雷擊的發(fā)生的時(shí)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(duì)于這個(gè)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(gè)樣子。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么樣子的呢?實(shí)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?yàn)閮?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(gè)晶粒之間相當(dāng)于形成了一個(gè)齊納二極管的勢(shì)壘，這個(gè)其實(shí)就是一個(gè)壓敏單元。每個(gè)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(shí)候，它的每個(gè)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(shí)候，壓敏電阻是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)器件保護(hù)的。正常工作的時(shí)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(shí)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(huì)有瞬間高壓加載壓敏電阻上，這個(gè)時(shí)候壓敏電阻就會(huì)被擊穿，呈現(xiàn)出非常低的阻抗。這個(gè)內(nèi)阻在雷電這個(gè)能量源的內(nèi)阻Re面前，相對(duì)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(huì)非常小。壓敏電阻和后級(jí)負(fù)載是并聯(lián)關(guān)系，因?yàn)閴好綦娮柘鄬?duì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(duì)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(gè)命名是什么意思，一般情況下命名標(biāo)記上往往會(huì)一個(gè)器件最關(guān)鍵的信息。這個(gè)名字可以分為兩個(gè)部分，第一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)直流電壓，如果流過壓敏電阻的電流達(dá)到1mA，這個(gè)時(shí)候的直流電壓就被稱之為壓敏電壓，所以有時(shí)候壓敏電壓也用U1mA或者V1mA來表示。比如對(duì)于471KD10，這款壓敏電阻，它的壓敏電壓就是470V。因?yàn)槠骷囊恢滦詥栴}，或者說誤差的存在，K級(jí)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(gè)指標(biāo)的意思其實(shí)是壓敏電阻能夠長時(shí)間承受的最大電壓，這個(gè)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(shí)它兩端的電壓。這個(gè)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(gè)沖擊電流是模仿雷電的沖擊電流來設(shè)計(jì)的。從這個(gè)電流的波形上就可以看出，壓敏電阻其實(shí)并不需要太快的響應(yīng)速度，這個(gè)器件更重要的使命是能夠能量吸收掉，當(dāng)然這個(gè)都是相對(duì)于TVS二極管而言的。我們選擇壓敏電阻的時(shí)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(gè)和鉗位電壓相對(duì)應(yīng)的電流值。其實(shí)這個(gè)電流值的意義不大，我們只需要關(guān)注最大鉗位電壓這個(gè)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(duì)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(gè)電流是超級(jí)大的。用這么大的電流去沖擊壓敏電阻的話，會(huì)對(duì)壓敏電阻這個(gè)器件本身造成傷害的?；旧洗騻€(gè)10來次，壓敏電阻就損壞掉了。我們選擇壓敏電阻的時(shí)候，器件本身所能夠承受的最大通流量一定要大于實(shí)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(gè)值是在一定的電流值下測(cè)出來的，比如我們這個(gè)471KD10就是在25A的時(shí)候，最大限制電壓為775V。實(shí)際進(jìn)行EMC測(cè)試的時(shí)候，沖擊電流肯定是大于這個(gè)的，比如我們進(jìn)行4000V雷擊測(cè)試的時(shí)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(shí)的限制電壓或者說鉗位電壓是多少呢?實(shí)際上壓敏電阻通流越大，肯定限制電壓也就越高，但是這個(gè)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(shí)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(shí)候，它的限制電壓是1500V，此時(shí)壓敏電阻的等效內(nèi)阻是1.875R，為什么這個(gè)地方是假定呢，因?yàn)閷?shí)際測(cè)試的時(shí)候，很少會(huì)去測(cè)這個(gè)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(gè)電壓其實(shí)是上不去的。實(shí)際測(cè)試的時(shí)候，比如我們做8000V的雷擊實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)X電容上端的電壓大約在500V左右，大概就是這個(gè)樣子。

講完了這個(gè)，后面還有一個(gè)最大能量值，其實(shí)這個(gè)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(shí)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(shí)間一般是20us是吧。那么我們來算一下，這么短的時(shí)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(shí)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(shí)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(xiǎn)絲、NTC電阻吸收掉了，實(shí)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(gè)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(gè)從它的封裝大小也能看出來，實(shí)際上壓敏電阻不工作(沒有雷擊)的時(shí)候，它的漏電流是很小的，一般小于20uA，所以正常工作的時(shí)候，這個(gè)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(huì)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(gè)參數(shù)，我們具體選型的時(shí)候，最主要的兩個(gè)指標(biāo)。一個(gè)就是壓敏電壓，一個(gè)就是通流量。我們國內(nèi)市電的電壓是220V，但是這個(gè)電壓是有波動(dòng)的，尤其是在供電質(zhì)量相對(duì)較差的農(nóng)村。我們假定正常情況下，電壓有20%的波動(dòng)，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(gè)373V也是一個(gè)大體的估計(jì)值，實(shí)際上峰值電壓可能比這個(gè)還高。我們選擇的471KD10這個(gè)壓敏電阻，我們計(jì)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(gè)+/- 10%其實(shí)是正態(tài)分布的，也就是說存在極個(gè)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(duì)合適的。最大通流量這個(gè)指標(biāo)，根據(jù)剛才我們的算法，大體評(píng)估一下就可以了，這里很難有精確的計(jì)算。實(shí)際進(jìn)行EMC測(cè)試的時(shí)候，如果不能通過，就換大一號(hào)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?yàn)闅怏w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(dòng)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?yàn)樘沾煞烹姽茈娙葜挥袔讉€(gè)pF，但是壓敏電阻有幾百個(gè)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(diǎn)。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(shí)是us級(jí)別的，實(shí)際上壓敏電阻的反映時(shí)間差不多是ns級(jí)別。另外它的個(gè)頭也相對(duì)較大，那么要實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片器件更為精細(xì)的保護(hù)，這個(gè)時(shí)候壓敏電阻就有點(diǎn)吃力了。這個(gè)時(shí)候，一般使用TVS二極管，它的反應(yīng)時(shí)間更為迅速，響應(yīng)時(shí)間為ps級(jí)別的，而且它的體積也相對(duì)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(jí)。

我們關(guān)于壓敏電阻的分享，就先到這里。

審核編輯：湯梓紅