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 (E ) 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