稳压、TVS二极管和压敏电阻的区别是什么?

硬件笔记本 2023-02-06 07:40

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贴片压敏电阻和TVS二极管可作为过电压保护部件使用。这些产品的结构和制造方法完全不同,但作为静电保护器件却具有相似的性质。由此,虽然在电路上都可以使用,但也存在不能使用贴片压敏电阻的情况。的确,由于其历史背景,产品目录和数据表中记载的不同项目很多,难以像电容器和其他通用部件那样,仅靠纸上记载的规格进行特性的比较。因此,在本报道中,将明确压敏电阻和二极管的不同之处,并介绍可以进行二极管和压敏电阻比较的数据。

1968年开发的氧化锌压敏电阻用于保护二极管免受雷击。另一方面,二极管主要用于整流,其用途不同。因此,产品目录和数据表中记载的不同项目很多,现在也难以单纯地进行比较。在Automotive Electronics Council(车载电子部件评议会)制定的规格中,AEC-Q101适用于TVS二极管,AEC-Q200适用于压敏电阻,其内容大不相同。 

图1 历史


结构

贴片压敏电阻是主要以氧化锌为基础的陶瓷半导体产品。主要采用下图所示的积层结构,通过积层张数、层间的调整,可以控制击穿电压、静电容量。而TVS二极管是P型半导体和N型半导体结合而构成的,是硅基ESD防护器件。在二极管中,也有使用Au丝等的情况。

图2 贴片压敏电阻

图3 TVS二极管


I-V曲线

贴片压敏电阻和TVS二极管的电阻值会随施加电压的变化而改变。贴片压敏电阻可以进行双向静电保护。TVS二极管以前大多是有方向性的,但最近双向的TVS二极管也增加了。但是,由于存在因方向性不同而不同的情况,所以需要注意。

图4 I-V曲线


对施加过电压的反应速度

从盘型压敏电阻等初期的压敏电阻时的记忆中,压敏电阻的反应速度慢,经常听到这样的话。但是,如下图所示,贴片压敏电阻和TVS二极管对施加过电压的反应速度一样。施加IEC61000-4-2 HBM +8kV后,在1ns以内达到峰值,400ns后施加在保护部件上的电压值几乎为0。

图5 对施加过电压的反应速度


静电容量

压敏电阻和TVS二极管的静电容量幅度大不相同。由于贴片压敏电阻采用积层结构,所以可以通过增加内部电极的层数,增加静电容量。用EIA0805以下的尺寸进行比较时,如下图所示,静电容量的最大值有近100倍的差距。因此,在必须并联放入MLCC的线路中,也有可以用单个贴片压敏电阻应对的情况。

图6 静电容量


其他特性

其他的温度特性和插入损耗等,虽然贴片压敏电阻和TVS二极管有一些不同,但在用相同规格比较时动作相同。由于在各数据表中记载了它们各自的动作,所以可以与TVS二极管进行比较。

图7 其他特性

为了保护CAN Tranceiver,在控制器区域网络(CAN)中使用静电保护部件。在此介绍在CAN线上选定静电保护部件时的要点。 


最大允许电路电压

在控制器区域网络(CAN)串行总线拓扑结构中,使用CANH、CANL信号后,可获得显性(dominant)和隐性(Recessive)的电平状态。显性时,在CANH线上施加3.5V左右的电压,静电保护部件在此电压时必须作为绝缘体发挥作用。因此,在这次的情况下,需要选择最大允许电路电压为3.5V以上的静电保护部件。


此外,静电保护部件的漏电流具有温度依赖性,还需要考虑实际使用时的温度环境。下图是典型的贴片压敏电阻和TVS二极管的漏电流温度特性。随着高温的升高,漏电流会变大,但设计时使之低于50uA。

图8 漏电流温度特性


静电容量

CAN的最大通信速度为1Mbps,电路中并联插入的静电保护部件不能妨碍这种通信。1Mbps(=0.5 MHz)时,必须选择插入损耗小的产品。下图表明,可用于CAN通信的贴片压敏电阻和TVS二极管的插入损耗不会影响任何产品的通信。

图9 贴片压敏电阻和TVS二极管的插入损耗


浪涌保护能力

静电保护部件用于保护成套使用的IC和外围器件。例如,下面是用于车载CAN Tranceiver的ESD耐量。

表1 ESD Durabitily of CAN Tranceiver for each IC

从这个表可以看出,如果在CAN Tranceiver施加4kV以上的电压,可能会损坏。此外,以下TLP数据表明,在相当于ESD 4kV的测试中,相当于8A的电流流过CAN Tranceiver。

图10 TLP数据

如果不使用静电保护部件,4kV的静电会导致8A电流流向CAN Tranceiver,CAN Tranceiver会损坏。另一方面,从以下图可知,由于施加电压,压敏电阻、TVS二极管的电阻值急剧下降到2Ω以下。

图11 TLP数据

因此,因施加ESD产生的大部分电流流向保护元件,可保护CAN Tranceiver。通过TLP数据,可以在设计时使用模拟的方式来确认流向CAN Tranceiver的电流。这一次,举了一个简单的例子,如果知道其他电子部件的特性值,可以在实际测试之前确认ESD耐量。


ESD耐量

在许多情况下,需要成套部件的ESD耐量,也要求静电保护元件具有的性能。产品的ESD耐量可以通过数据表确认。 

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