關于壓敏電阻及TVS管應用的分析與對比

氧化鋅壓敏電阻器與TVS管都是ESD防護常用的器件，對提升整機的ESD性能有非常重要的作用。但是氧化鋅壓敏電阻器與TVS管的導電機理及結構各有差異，因此在具體應用表現也不盡相同。

金開盛電子將對二者在導電機理，脈沖能量耗散機理，ESD防護時的響應時間的不同進行分析闡述，糾正在響應時間認識上可能存在的誤區，從而使讀者更好的認識壓敏電阻和TVS。

導電機理

1. 氧化鋅壓敏陶瓷

氧化鋅壓敏陶瓷是一種以氧化鋅為主體、添加多種金屬氧化物、 經電子陶瓷工藝制成的多晶半導體陶瓷元件，具有非線性導電特性，是抑制過電壓、吸收浪涌能量、ESD防護的主要元件材料。

氧化鋅壓敏陶瓷的微觀結構是由氧化鋅晶粒及晶界物質組成的，其中氧化鋅晶粒中摻有施主雜質而呈N型半導體，晶界物質中含有大量金屬氧化物形成大量界面態,這樣兩個晶粒和一個晶界（即微觀單元）形成一個類似背靠背雙向NPN結，整個陶瓷就是由許多背靠背雙向NPN結串并聯的組合體。

由于氧化鋅壓敏陶瓷晶界非常薄，僅有埃數量級，則當施加電壓小于其反向PN結擊穿電壓時，屬于肖特基勢壘熱電子發射電導，其導通電流與PN結勢壘及溫度有關；當施加電壓大于其反向PN結擊穿電壓（3.2V）時，屬于隧道電子擊穿導電，其導通電流只與所施加電壓有關，隧道電子擊穿時間是幾十到百皮秒。

壓敏電阻器的等效電路中：當施加電壓小于其反向PN結擊穿電壓時，Rb遠大于Rg,施加電壓幾乎全部加在晶界上，Rb＞10M；

當施加電壓大于其反向PN結擊穿電壓時，晶界產生隧道電子擊穿導電，Rb遠小于Rg,施加電壓加在晶粒和晶界上，Rg+Rb阻值只有歐姆級；

因此當外施電壓小于氧化鋅壓敏陶瓷晶界擊穿電壓（即壓敏電壓）時，壓敏電阻呈現絕緣體高阻值，其漏電流僅有微安級；當外施電壓大于氧化鋅壓敏陶瓷晶界擊穿電壓（即壓敏電壓）時，壓敏電阻呈現導體低阻值，通過電流有幾十安培，而且外施電壓小幅提高，通過電流急速增長。

片式氧化鋅壓敏電阻器是采用氧化鋅壓敏陶瓷材料，經過電子陶瓷流延工藝制成的多晶半導體陶瓷元件。

由于片式氧化鋅壓敏電阻器可應用于電子電源線路和數據傳輸線路中，因此被保護電路的工作電壓范圍較寬，同時數據線對其電容有特殊要求。通過結構設計和工藝調整（如層數和膜厚等），可以得到不同線路保護要求的壓敏電阻器。

2、TVS管

TVS（TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR）或稱瞬變電壓抑制二極管是在穩壓管工藝基礎上發展起來的一種新產品，其電路符號和普通穩壓二極管相同,外形也與普通二極管無異,分為單向和雙向，具有非線性導電特性，用于線路抑制過電壓、ESD防護。

目前TVS管PN結的反向擊穿電壓一般大于6V，當施加電壓小于其反向PN結擊穿電壓時，屬于肖特基勢壘熱電子發射電導，其導通電流與PN結勢壘及溫度有關；當施加電壓大于其反向PN結擊穿電壓（6V）時，屬于雪崩電子擊穿導電，其導通電流只與所施加電壓有關，雪崩電子擊穿時間可達1～2ns。

由于TVS管也是PN結微觀結構。TVS管只有PN結，無晶粒電阻，即Rg=0。因此當施加電壓大于其反向PN結擊穿電壓時，PN結雪崩電子擊穿導電，施加電壓主要加在PN結電阻Rb上，Rb阻值只有歐姆級，因此當外施電壓大于TVS擊穿電壓（即壓敏電壓）時，呈現導體低阻值，通過電流有幾十安培，而且隨著通過TVS電流急速增長，而TVS兩端電壓仍然很低（相對片式氧化鋅壓敏電阻器而言）。

能量耗散對比以及對應用表現的影響

基于以上導通機理分析，當片式TVS管兩端經受瞬間的高能量沖擊時，它能以納秒級時間使其PN結阻抗驟然降低，將其兩端間的電壓箝位在一個預定的數值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態高能量的沖擊而損壞。由于TVS管內部僅是雪崩PN結結構，在導通時TVS兩端呈現導體低阻值特性，從而限制電壓較壓敏電阻更低，在TVS上支路上的通流更大，該特性適合應用于耐ESD電壓特別差或者被保護部位阻抗特別小的部位(如聽筒，MIC,音頻等)。但TVS無法吸收瞬間脈沖能量，只能將能量單方向傳導至線路的公用地線上，有可能對連接到該公共地的其他ESD敏感器件造成二次破壞。

壓敏電阻內部微觀結構是無數個PN結和晶粒的串并聯結合體，可以吸收和傳導能量，當線路中產生任何過電壓時，壓敏電阻器迅速從兆歐級絕緣電阻變為歐姆級的電阻，將過電壓抑制到較低的水平并吸收部分能量，因此壓敏電阻的吸收能量的能力比TVS管要強，并且能防止ESD造成的瞬態EMI和二次破壞。壓敏電阻的特性特別適合于電源部位和較大瞬態能量的部位過壓防護。

響應時間

作為過電壓保護元件，當過電壓出現時，保護元件從高阻值絕緣體變為低電阻導體、即將過電壓的峰值電壓大幅降低的時間，稱為過電壓保護元件的響應時間。只有過電壓保護元件的響應時間小于過電壓的上升時間，才具有過電壓的抑制功能。

過電壓保護元件響應時間是由元件材料及結構決定的，當產品結構中存在寄生電感、電容時，除對保護元件響應時間影響外，還會影響過電壓產生瞬間線路的振蕩過程。

目前很多設計人員的意識里存在壓敏電阻響應時間比TVS慢的誤區，器件的響應時間一般由材料和產品結構決定，下面對這兩個因素進行分析。

1、材料本征響應時間

由上面的導通機理分析可以知道，氧化鋅壓敏陶瓷導電機理是隧道擊穿，所以其材料響應時間就是其隧道電子擊穿時間，一般為0.3ns。TVS管導電機理是雪崩擊穿，其響應時間就是其雪崩電子擊穿時間，一般在0.5~1ns之間。

2、產品結構對響應時間影響

片式氧化鋅壓敏電阻器采用多層獨石結構，其寄生電感非常小，對其響應時間影響甚微，有些設計人員談到的壓敏電阻響應時間慢主要指用于AC端防浪涌的插件壓敏電阻，因為較長的引線引入寄生的電感導致響應時間較慢（25ns）。而TVS管為了SMT要求，在其兩端設計電極引線，也會產生寄生電感，對其響應時間有一定影響。

而ESD放電波形一般在1nS達到峰值，這就需要過電壓防護器件在1nS內迅速響應，鉗制過電壓，保護IC和ESD敏感線路。從響應時間看，片式壓敏電阻和TVS的響應時間都滿足ESD防護的需求，從而起到良好的防護效果。

綜合以上分析和對比，片式氧化鋅壓敏陶瓷電阻和TVS管均是抑制ESD的有效器件，TVS管限制電壓較低，瞬態內阻較小，適合應用于耐ESD電壓特別差或者被保護部位阻抗特別小的部位(如聽筒，MIC,音頻等)。而壓敏電阻的吸收能量的能力比TVS管要強，除了一般的ESD防護，也特別適合于電源部位和較大瞬態能量的部位過壓防護。在響應時間方面，要避免陷入片式氧化鋅壓敏陶瓷電阻的響應時間慢的誤區。由于工藝的差異，片式壓敏電阻的價格要遠低于TVS，表現出良好的性價比，設計人員可以根據電路的實際應用靈活選擇片式壓敏電阻或者TVS。

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