EMC元件之【压敏电阻】_非线性_电源_电路_电磁兼容_半导体_汽车_电子_理论

EMC元件之【压敏电阻】

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第2352期

如同治病需要对症下药一般，应对电子设备的噪声时也需要了解噪声产生的机制和噪声对策元件的原理。本次介绍的就是利用了某种电子陶瓷的有趣特性的压敏电阻。这种可靠的噪声对策元件能防止静电的瞬间电涌损害电路。
诱导雷会产生如同海啸般的电涌
雷阵雨、不定期暴雨、热带地区的短风暴等，都属于大规模积乱云降下的局部大雨。积乱云也称为雷云，顾名思义伴有雷电，有时会落在输电线上，造成停电。即使不落雷，在雷云接近时，AM广播也会产生嘎吱嘎吱的噪声。这是雷云之间的放电所产生的电磁波造成的。

比起落雷，诱导雷更会造成大范围内的电子设备损害。雷云下方平时分布着负电荷，因此雷云接近时，电线杆上的输电线和电话线等会被诱导出正电荷。在此状态下，云间放电等现象所产生的负电荷被中和时，输电线和电话线中被诱发的正电荷就会像海啸一样向地面流去。这称为雷电涌。
雷电涌是瞬间的冲击波，电压可达到数千V，电流可达1千到1万A，只要侵入电子设备，就能轻易破坏集成电路等元件。在搭载集成电路的电话普及时期，雷电涌的对策还不完善，因此某个地区的电话全部故障的事故常有发生。
为了防止这类问题，变阻器和避雷器开始展现身手。以发电、输电、变电等设备安装的SPD（防电涌设备）为代表，它们存在着家庭供电用、电子设备用、汽车用等各种型号。
超过一定电压后电阻下降且通行电流的压敏电阻
在大河的中段，往往设有调蓄池。在河流超过一定水位时，这片区域能暂时储蓄水量，防止下游受到洪水危害。压敏电阻就可以被比作调蓄池。在雷电涌等入侵时，它自身能充当旁路，防止电子设备故障。

物质的电阻通常遵循R=E/I的欧姆定律（E：电压、R：电阻、I：电流）但是在半导体和电子陶瓷中，有些电阻随电压的变化是非线性的。例如，它可能在某个电压以下呈现高电阻，在该电压以上的电阻却会降低，流通大电流。压敏电阻就是利用了这种性质的元件，它是voltage variable resistor（可变电压压敏电阻）的缩写。
电子陶瓷是诸多细微结晶粒聚合成的结晶体，一般的压敏电阻多采用以氧化锌为主成分的陶瓷。包含结晶粒的晶界是高电阻的绝缘层，在某个电压以下不通行电流，但超过该电压时，就会因为量子隧穿效应而通行大电流。
将2个相对放置的齐纳二极管(稳压二极管）连接构成的电压保护元件被用于防止电涌损害集成电路，但这样就需要连接电容，难以减少安装面积。积层贴片压敏电阻则解决了这个问题。这种变阻器采用了氧化锌陶瓷层与内部电极交叠的积层构造。

如同我们在中学物理学到的那样，物质的电阻通常遵循R=E/I的欧姆定律（E：电压、R：电阻、I：电流）但是在半导体和电子陶瓷中，有些电阻随电压的变化是非线性的。例如，它可能在某个电压以下呈现高电阻，在该电压以上的电阻却会降低，流通大电流。压敏电阻就是利用了这种性质的元件，它是voltage variable resistor（电压可变电阻）的缩写。
电子陶瓷是诸多细微结晶粒聚合成的结晶体，一般的压敏电阻多采用以氧化锌为主成分的陶瓷。包含结晶粒的晶界是高电阻的绝缘层，在某个电压以下不通行电流，但超过该电压时，就会因为量子隧穿效应而通行大电流。
将2个相对放置的齐纳二极管(稳压二极管）连接构成的电压保护元件被用于防止电涌损害集成电路，但这样就需要连接电容，难以减少安装面积。积层贴片压敏电阻则解决了这个问题。这种变阻器采用了氧化锌陶瓷层与内部电极交叠的积层构造。
阻断人体放出的静电
在充斥着塑料制品的现代生活中，人体也会像雷云那样储蓄静电荷。而随着近年来电子设备的便携化发展，手指触摸、或通过线缆进行设备连接的情况也多了起来。此时产生的静电放电会导致集成电路故障，因此积层贴片压敏电阻的发挥空间也越来越广。
变阻器流通1mA电流时的端口间电压一般称为变阻电压。为了保护低电压驱动的集成电路，变阻电压就需要降低。碟形压敏电阻的变阻电压尚有50到200V，积层贴片压敏电阻的变阻电压则降到了十几V程度的低压。

高速信号线也可使用的低静电容量型

此外，USB和HDMI等高速信号线中，变阻器的静电容量相当于电容器成分，会产生影响，因此需要尽可能地予以抑制。不过，传统的积层贴片压敏电阻难以在保持电涌抗性的同时减少静电容量。静电容量与电极面积成正比。为了减小静电容量，就需要减少电极面积，但这样就会降低电涌抗性。
因此，在采用独特变阻材料的同时，人们利用高水平的微细结构控制技术，确立了结晶粒的微细化、均匀化技术。凭借这类诸多先进技术，TDK开发出了自己的积层贴片压敏电阻。将它运用到高频集成电路、接口电路、USB或HDMI等高速信号线中，就能防止电子设备故障和静电损害。

除了积层贴片压敏电阻，TDK还提供各种产品，例如应对车载DC马达刷片的接点火花发出的辐射噪声所用的环状压敏电阻。与积层型带引线电容器、电源线扼流圈等元件组合后，它就能够有效地保护DC马达的接点并延长马达寿命。

来源：电磁兼容之家

电磁兼容项目中，什么是Surge浪涌测试？

第818期什么是Surge浪涌测试？浪涌（冲击）抗扰度试验，是模拟自然界里的雷击（间接雷）以及供电线路中因大型开关切换所引起的电压变化对供电线路和通信线路的影响。浪涌试验规定了两种波形（1.2/50μs和通信波10/700μs）、幅值为0.5kV到4kV，能量特别大，对EUT的影响可能是破坏性的。10/700μs（俗称通信波）适用于长距离对称通信端口，1.2/50μs适用于电源线端口和其他信号线端口。浪涌的起因是电力系统的开关瞬态和雷电瞬态;而浪涌抗扰度试验目的是建立一个共同的基准，以评价电气和电子设备在遭受浪涌(冲击)时的性能。根据标准IEC61000-4-5浪涌冲击抗扰度试验一般要求，雷击浪涌发生器模拟1.2/50us电压波形，8/20us电流波形和组合波(电压波形：10/700us，电流波形：5/320us)，通过耦合网络，将波形耦合至被测电路中，已达到实验目的。实验等级则根据电压严酷程度分为1，2，3，4和X级，其中X及为开放级。严酷等级应用范围则取决于环境(遭受浪涌可能性的环境)及安装条件，大体按照以下条件分类：1级：较好保护的环境，如工厂或电站的控制室。2级：有一定保护的环境，如无强干扰的工厂。3级：普通的电磁骚扰环境，对设备未规定特殊安装要求，如普通安装的电缆网络，工业性的工作场所和变电所。4级：受严重骚扰的环境，如民用架空线，未加保护的高压变电所。X级：特殊级，由用户和制造商协商后确定。具体产品选用哪一级，一般由产品标准定。雷击浪涌测试是破坏性试验，视被测物破坏程度，分为以下几种情况：a) 在制造商、委托方或购买方规定的限值内性能正常b) 功能或性能暂时丧失或降低，但在骚扰停止后能自行恢复，不需要操作者干预;c) 功能或性能暂时丧失或降低，但需操作人员干预才能恢复;d) 因设备硬件或软件损坏，或数据丢失而造成不能恢复的功能丧失或性能降低。信号(通信)接口浪涌测试测试目的和指标要求：考察设备在实际使用过程中用户线接口受到浪涌电压冲击后，被测接口的损坏和设备性能下降的程度。指标要求：对电话端口的浪涌测试分为类型A，和类型B两种测试。(1) 类型A(Class A) a) 波形。差模干扰：电压波：10/560，电流波：10/560。共模干扰：电压波：10/160，电流波：10/160。b) 测试等级：差模：电压小800V，电流小100A。共模：电压小1500V，电流小200Ac) 测试端口：差模：tip——ring ；tip-1 ——ring-1；对于单项通信的4线制电缆，tip——ring-1, ring——tip-1。共模：tip-ring和tip-1——ring-1对地，或者对其他连接到未经认证的设备的线缆(拧到一起)。d) 测试状态：设备的所有可能影响本标准要求的状态都要测试。如果设备状态不能通过正常上电获得，需要通过人工干预获得；没有施加浪涌的端口(包括电话端口，辅助端口以及和未认证设备连接的端口)，要用适当的方式端接并处于正常使用状态；如果设备的一次电源允许插拔，则设备带有电源线和断开电源线两种状态都要测试。e) 判据允许起安全作用的电路出现开路，或者到地的短路，但在这种失效模式下，保证让用户不能使用设备，或设备具有明显失效指示(如告警)，需要立即从网络上断开或需要维修。对安全电路进行修复后，设备性能和功能恢复正常。(2) 类型B (class B)a) 波形。差模：电压波：9/720，电流波：5/320。共模：电压波：9/720，电流波：5/320。 b) 测试等级：差模：电压小1000V，电流小25A。共模：电压小1500V，电流小37.5Ac) 测试端口：差模：tip——ring ；tip-1 ——ring-1；对于单项通信的4线制电缆，tip——ring-1, ring——tip-1。共模：tip-ring和tip-1——ring-1对地，或者对其他连接到未经认证的设备的线缆(拧到一起)。d) 测试状态：设备的所有可能影响本标准要求的状态都要测试。如果设备状态不能通过正常上电获得，需要通过人工干预获得；没有施加浪涌的端口(包括电话端口，辅助端口以及和未认证设备连接的端口)，要用适当的方式端接并处于正常使用状态；如果设备的一次电源允许插拔，则设备带有电源线和断开电源线两种状态都要测试。e) 判据设备要能够承受类型B的浪涌能量，不能造成接口电路永久性开路或者短路，不能引起影响到标准要求的设备损坏。类型A：允许起安全作用的电路出现开路，或者到地的短路，但在这种失效模式下，保证让用户不能使用设备，或设备具有明显失效指示(如告警)，在这种情况下，用户需要立即从网络上断开设备进行维修。对防护电路进行修复后，设备性能和功能恢复正常。类型B：认证的终端设备和保护电路要能够承受类型B的浪涌能量，不能造成接口电路永久性开路或者短路，不能引起影响到本标准要求的设备损坏。来源：电磁兼容之家