「電源外圍設(shè)計系列」| 壓敏電阻MOV選型指南
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2020-03-11
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在電源應(yīng)用過程中，為保證電源的供電穩(wěn)定與電源的安全，常常會設(shè)計外圍保護(hù)電路以確保電源使用過程中不被損壞。外圍電路包括浪涌沖擊保護(hù)電路、防靜電保護(hù)電路、EMI濾波電路、脈沖群抗擾電路。本文將對浪涌沖擊保護(hù)電路中使用的壓敏電阻MOV的使用和選型方法展開論述。
一、什么是壓敏電阻 ？
壓敏電阻，即MOV（Metal Oxide Varistors），是一種非線性伏安特性的限壓型保護(hù)器件，其本體是由氧化鋅顆粒組成的矩陣結(jié)構(gòu)，顆粒之間的晶界類似雙向PN結(jié)的電氣特性。
壓敏電阻的應(yīng)用場合：壓敏電阻器常常與被保護(hù)器件或裝置并聯(lián)使用，在電路承受過壓時進(jìn)行電壓鉗位，吸收多余的電流從而實現(xiàn)對后級電路的保護(hù)。
壓敏電阻的主要特性：當(dāng)兩端所加電壓在標(biāo)稱額定值以內(nèi)時，其電阻值幾乎為無窮大，處于高阻狀態(tài)，漏電流低至幾十微安；當(dāng)兩端所加電壓稍微超過額定值時，其電阻值急劇下降，立即處于導(dǎo)通狀態(tài)，工作電流增加幾個數(shù)量級，反應(yīng)時間低至納秒級。當(dāng)兩端所加電壓超過其最大限制電壓時，它將完全擊穿損壞，無法自行恢復(fù)。
正常使用時，壓敏處于漏電流區(qū)，受浪涌沖擊時進(jìn)入非線性區(qū)泄放浪涌電流，一般不能進(jìn)入飽和區(qū)。當(dāng)壓敏電壓較低時，壓敏工作于漏電流區(qū)，呈很大電阻，漏電流很小；當(dāng)電壓升高到非線性區(qū)，電壓變化不大，電流在相當(dāng)大范圍內(nèi)變化，限壓特性較好；當(dāng)電壓再升高，壓敏進(jìn)入飽和區(qū)，呈現(xiàn)很小的線性電阻，電流很大，時間一長壓敏會過熱而燒壞甚至炸裂。因此，壓敏電阻不能長期承受1mA的電流。
壓敏電阻的特點：
（2）工作電壓范圍寬(主流18-1800V，分若干檔)，根據(jù)市場主流，主要如下：
●5D——V1mA：18~750V ●7D——V1mA：18~820V
●10D——V1mA：18~1100V ●14D——V1mA：18~1800V
●20D——V1mA：18~1800V ●25D——V1mA：18~1800V
（3）對過壓脈沖響應(yīng)快(幾至幾十nS)；
（4）耐沖擊電流的能力強(可達(dá)100-15000A），根據(jù)市場主流，主要如下：
●5D——V1mA=18~56V時，I=100A；V1mA=68~750V時，I=400A
●7D——V1mA=18~68V時，I=500A； V1mA=82~820V時，I=1750A
●10D——V1mA=18~68V時，I=500A；V1mA=82~1100V時，I=2500A
●14D——V1mA=18~68V時，I=1000A；V1mA=82~1800V時，I=4500A
●20D——V1mA=18~68V時，I=2000A；V1mA=82~1800V時，I=6500A
●25D——V1mA=18~68V時，I=4500A；V1mA=82~1800V時，I=15000A
（5）漏電流小(低于幾至幾十uA)；
（6）電阻溫度系數(shù)小。
二、壓敏電阻命名規(guī)則
壓敏電阻命名如下圖：
例如471KD14：標(biāo)稱電壓為470VDC，公差為±10%（即動作電壓在423~517VDC之間），形狀為圓形，直徑14mm。
三、規(guī)格計算
（1）步驟一：壓敏電壓（VARISTOR VOLTAGE）計算
V1mA=1.5Vp=2.2Vnom （1）
式中，Vp為電路額定電壓的峰值，Vnom為額定交流電壓的有效值。
例如：某客戶使用金升陽LHE60-20B12電源產(chǎn)品，額定輸入電壓為220VAC，則壓敏電阻電壓值V1mA=1.5Vp=1.5×1.414×220V=476VDC，V1mA=2.2Vnom=2.2×220V=484VDC，因此壓敏電阻的擊穿電壓V1mA可選在470－480V之間，如V1mA選470V，對應(yīng)471KDxx壓敏。
（2）步驟二：最大允許電壓（MAXIMUM ALLOWABLE VOLTAGE）計算
此電壓分交流（VACrms）和直流（VDCr）兩種情況：
VACrms≈0.64V1mA （2）
VDCr≈0.83V1mA （3）
還是以步驟一的例子，則計算步驟如下：
V1mA=470V，則VACrms≈0.64V1mA =300VAC，VDCr≈0.83V1mA =390VDC。而471KDxx壓敏對應(yīng)的VACrms=300V，VDCr=385V，步驟一計算出的參數(shù)驗證可行。
（3）步驟三：通流容量（I(8/20us)）計算
最大通流量與壓敏電阻直徑成正比。在選擇壓敏電阻直徑時，要確定被保護(hù)電路的雷擊浪涌等級，以此來選擇壓敏電阻的最大通流量。
對壓敏進(jìn)行沖擊試驗時，隨著所進(jìn)行的沖擊次數(shù)的增加，每次所施加的沖擊電流要相應(yīng)減小。通常，現(xiàn)行的技術(shù)規(guī)格書中都給出壓敏沖擊1次的I值。因此，一般我們在選擇壓敏時，其通流容量要按壓敏浪涌壽命次數(shù)定額曲線中沖擊10次到100次來計算，其實際通過的浪涌電流約為最大沖擊通流量的30%左右（即0.3I）。
如果不知道浪涌等級所要求的通流量，可按照下圖以壓敏兩端的差模電壓進(jìn)行計算。
例如：浪涌差模電壓Vtest=2KV，壓敏電阻471KDxx最大限制電壓VCLAM=775V則通流量計算：
I P= (Vtest - VCLAM) / 2 = 612.5A （4）
I=IP/0.3=2042A （5）
471KD10壓敏對應(yīng)的通流量（看壓敏規(guī)格書Withstanding Surge Current列）I為2500A，大于2042A ；而471KD07壓敏對應(yīng)的通流量I只有1750A；故步驟一的案例中，壓敏電阻建議選擇10D以上，如471KD10。
四、關(guān)鍵指標(biāo)
1)標(biāo)稱壓敏電壓(V1mA)：指通過規(guī)定持續(xù)時間的脈沖電流（一般為1mA 持續(xù)時間一般小于400mS）時壓敏電阻器兩端的電壓值；
2)最大限制電壓(VCLAM)：即殘壓，指在壓敏能承受的最大脈沖峰值電流Ip及規(guī)定波形下壓敏電阻兩端電壓峰值；
3)通流容量(IP )：指在規(guī)定的條件（規(guī)定的時間間隔和次數(shù)，施加標(biāo)準(zhǔn)的沖擊電流）下，允許通過壓敏電阻器上的最大脈沖（峰值）電流值；
4)漏電流：指在25℃條件下，當(dāng)施加最大連續(xù)直流電壓時，壓敏電阻器中流過的電流值；
5)等級電壓：指壓敏電阻中通過8/20等級電流脈沖時在其兩端呈現(xiàn)的電壓峰值。
五、注意事項
1)響應(yīng)時間：壓敏電阻的響應(yīng)時間為ns級，比氣體放電管快，比TVS管稍慢一些；
2)結(jié)電容：壓敏電阻的結(jié)電容一般在幾百到幾千pF的數(shù)量級范圍，很多情況下不宜直接應(yīng)用在高頻信號線路的保護(hù)中，應(yīng)用在交流電路的保護(hù)中時，因為其結(jié)電容較大會增加漏電流，在設(shè)計防護(hù)電路時需要充分考慮；
3)通流容量：壓敏電阻的通流容量較大，但比氣體放電管小；
4)電路位置：壓敏電阻一般應(yīng)用在產(chǎn)品的輸入端L線和N線之間，置于保險絲之后，熱敏電阻之前；
5)殘壓：壓敏電阻的殘壓（即最大限制電壓）會直接施加到產(chǎn)品的后端電路，殘壓過大可能會導(dǎo)致后端器件損壞（如整流橋或者大電容），因此設(shè)計時要保證殘壓不超過后級電路能承受的最大電壓；
6)在電路設(shè)計時，輸入壓敏電阻的投影要遠(yuǎn)離控制IC，防止浪涌測試時IC受干擾，導(dǎo)致輸出電壓在浪涌測試時出現(xiàn)掉電。
六、壓敏電阻的測量
單獨測量：通常壓敏電阻具有良好的非線性，即阻值隨所加電壓的增加而減少，且具有雙向電流特性。測量時，將萬用表置于R×1k擋，測其兩引腳之間的正反向絕緣電阻，均為無窮大，否則說明漏電流過大。如果所測電阻過小，說明壓敏電阻已損壞，不能使用。可以用數(shù)字萬用表測量壓敏電阻。
電源使用中，外圍電路是必不可少的存在，選擇適合的壓敏電阻MOV對浪涌沖擊保護(hù)電路尤為重要。那外圍電路還有哪些關(guān)鍵點需要著重注意的呢？歡迎關(guān)注金升陽科技公眾號，持續(xù)更新！
