了解壓敏電阻MLCV-TVS-PPTC及氣體放電管

隨著使用環境的日益復雜，電子設備須承受越來越多的內外干擾，壓敏電阻、TVS、PPTC、氣體放電管等電路保護器件的作用越來越重要，以便系統受到過壓、過流、過熱、浪涌、電磁干擾等情況下不受損壞。目前，一些主流的電路保護器件分別為：

（1）瞬態電壓抑制器，Transient Voltage Suppressors，簡稱TVS；

（2）壓敏電阻，Metal Oxide Varistors，簡稱MOV；

（3）靜電保護元件，Electrostatic Discharge Protection Devices，簡稱ESD；

（4）陶瓷氣體放電管，Gas Discharge Tubes，簡稱GDT；

（5）玻璃氣體放電管，Spark Gap Protectors，簡稱SPG；

（6）半導體放電管，Thyristor Surge Suppressors，簡稱TSS；

（7）自恢復保險絲，Polymer Positive Temperature Coefficient，簡稱PPTC。

各類過電壓保護元件通流量及響應時間

按照器件的伏安特性，保護器件可分為三大類：箝位型（TVS、ESD、MOV）、開關型（GDT、SPG、TSS）、過電流型（PPTC）。

箝位型過電壓保護器件

箝位型過電壓保護器件為電壓控制型器件。在電壓達到擊穿電壓時，器件的電阻瞬間減小為低阻抗，泄放大浪涌電流，從而將浪涌電壓限制在一個較低的水平。導通后，器件的箝位電壓會高于擊穿電壓，器件兩端的箝位電壓與瞬間通過的浪涌電流大小成正比關系。

箝位型過電壓保護器件常應用于電源線、低頻通信線路的過電壓防護，代表產品有：瞬態電壓抑制二極管（TVS）、金屬氧化物壓敏電阻（MOV）、靜電保護（ESD）元件。

其中，金屬氧化物壓敏電阻（MOV）除了英文名稱Metal Oxide Varistors (MOV)、Voltage Dependent Resistor (VDR)、Varistor以外，壓敏電阻器的中文名稱也不少，在臺灣地區還有突波吸收器、浪涌抑制器、吸波器等別稱。

瞬態電壓抑制二極管（TVS）陣列封裝后，成為瞬態抑制二極管陣列（TVS Array），也稱為ESD（Electrostatic Discharge Protection Devices）靜電保護元件。從工藝上看，ESD是將多個TVS晶粒或二極管采用不同的布局做成具有特定功能的多路或單路ESD保護器件，主要應用于各類通信接口ESD保護，如USB、HDMI、RS485、RS232、VGA、RJ11、RJ45、BNC、SIM卡、SD卡等。ESD器件封裝多樣化，從單路的DFN0201到多路的SOIC-16、QFN-10等，電路設計工程師可以根據電路板布局及接口類型選擇不同封裝的ESD器件。

開關型過電壓保護器件

對于開關型過電壓保護器件，當電壓達到擊穿電壓后，其電阻瞬間減小為低阻態，泄放浪涌電流，并將浪涌電壓限制在一個較低的水平。開關型過電壓保護器件的特點是器件導通后其兩端的電壓會低于器件的擊穿電壓，常用于通信系統高頻信號線浪涌防護，主要有陶瓷氣體放電管（GDT）、玻璃氣體放電管（SPG）、半導體放電管（TSS）。

其中，陶瓷氣體放電管（Gas Discharge Tubes, GDT）由封裝在充滿惰性氣體的陶瓷管中具有一個或一個以上的放電間隙組成。GDT電氣性能取決于氣體種類、氣體壓力、內部電極結構、制作工藝等因素。GDT可以承受高達數十甚至數百千安培的浪涌電流沖擊，具有極低的結電容，應用于保護電子設備和人身免遭瞬態高電壓的危害。

TSS、MOV、GDT伏安特性曲線和PPTC電阻溫度曲線

玻璃氣體放電管（Spark Gap Protectors, SPG）也稱強效氣體放電管，通過電極之間的距離獲得放電微隙，管內充有隋性氣體，用玻璃管和杜鎂絲線玻封而成。當SPG兩端電壓增高時，附近氣體被電離，微隙處開始出現放電現象。隨著兩極壓降逐漸增大，放電電流也隨之增大，其電離區隨之擴大，此時放電電流經氣體電離區流向另一極，當電流繼續增加到一定程度時，管內出現從輝光放電向弧光放電轉換，產品由高阻狀態進入低阻狀態，SPG兩端的電壓也隨之減小，從而對后面的電路起到保護作用，在異常電壓消失后，產品又恢復到高阻狀態。

使用時，主要考慮以下4個玻璃氣體放電管參數：

（1）直流擊穿電壓：在應用中，放電管的直流擊穿電壓下限值應高于線路的最大正常工作電壓，否則會影響電路正常工作。

（2）脈沖擊穿電壓：要確保器件脈沖擊穿電壓值低于后級被保護線路所能承受的最高瞬時電壓值。

（3）標稱放電電流：根據應用場合及線路中可能出現的沖擊電流強度，確定所選用放電管必須達到的耐沖擊電流強度。

（4）續流問題：電壓較高的有源電路不能單獨使用氣體放電管作為過電壓保護器件。為了使放電管能正常熄弧，在有可能出現續流的地方，可在放電管上串聯壓敏電阻或自恢復保險絲等限流器件。

過電流型保護器件（PPTC）

PPTC（Polymer Positive Temperature Coefficient）是用聚合物制作的可反復應用的正溫度系數熱敏電阻。PPTC屬于過電流型保護器件，常應用于小電流輸入的電源線過電流保護，或兩級過電壓保護器件之間做退耦等。

當有異常過電流通過時，PPTC產生的熱量（為I2R）使聚合物基體膨脹，包裹在聚合物基體外的碳黑粒子會分開從而切斷PPTC的導電通道使PPTC電阻將上升，從而減小異常過電流。當異常過電流故障清除后，PPTC聚合物分子收縮至原來的形狀重新將碳黑粒子聯結起來，導電通道會恢復，PPTC電阻又恢復到原來的低阻狀態。上述過程可循環多次。

PPTC最大的特點就是在其額定使用范圍內，在每次電流故障后不需要更換，可反復多次應用于過電流保護，可有效節約維修時間及成本。PPTC選型注意以下參數：

（1）維持電流Ih：自恢復保險絲的維持電流應大于線路的正常工作電流，否則會影響線路正常工作。

（2）最大耐壓Vmax：應大于線路的工作電壓，否則容易導致PPTC失效。

（3）環境溫度：PPTC對環境溫度較敏感，應根據環境溫度降額選取PPTC的維持電流。當環境溫度大于85℃時，不建議使用PPTC。

過電壓防護器件性能比較

除了PPTC元件，其他電路保護器件都屬于過電壓類型。

各類過電壓保護元件性能對比

其中，GDT結電容低，絕緣阻抗大，是通流量最大的器件，可做到100kA（8/20μs）。GDT的導通為氣體電離形成導電通道，需要較大的能量去激發它，有一個能量累積的過程，所以GDT的響應時間是所有過電壓保護器件中最慢的一個。GDT可用于高速通信線路防雷保護，如同軸電纜，電話線接口，高清視頻接口、以太網口等。

MOV的通流量僅次于GDT，響應速度為納秒級，廣泛應用于交流電源線，低頻信號線的防雷保護。使用中，由于GDT和SPG具有較大的絕緣阻抗，在AC輸入端，常常和MOV串聯到共模地來應用，以減緩MOV的老化。

hyperfix為超大功率TVS，采用大面積芯片疊加制成，比普通的TVS功率大幾十甚至幾百倍，可直接替代MOV應用于交流輸入端口的第一級防雷保護。hyperfix具有通流量大、響應速度快、無老化、箝位電壓低等優點，適用于對防護器件要求較高的應用場合，如通信電源、飛機、機車等領域。

TSS為一種具有負阻特性的浪涌保護器件，由于其特殊的PNPN結結構設計，在相同的芯片面積上，TSS可以做到比同尺寸及電壓的TVS通流量大幾倍，而電容比同規格的TVS小幾倍，可以用于一些通信線路的浪涌保護，如RS485、RS232、CAN總線等。TSS具有較高的性價比，是低速通信線路浪涌防護的理想選擇。

TVS一般采用貼片或插件封裝，體積較小，常應用于直流電源線或低速通信線路的浪涌防護。ESD由多個二極管或TVS組合而成，導通時間較TVS慢一些，芯片晶粒面積也較小，可以做到小型微型化封裝，結電容最小可以做到零點幾個皮法，適用于高速數據線路的ESD防護，如HDMI、USB3.0、IEEE1394等。

除了上述三大類器件，FAE工程師在系統電路設計中，應組合使用多個電路保護器件及方案。同時，還應考慮一些新型的保護產品，如貼片壓敏電阻（Multi-Layer Ceramic chip Varistor，MLCV），這是一種利用氧化鋅陶瓷制作的類似MLCC結構的多層片式陶瓷電壓敏感電阻器，具有靜電抑制型、常規過壓保護型、高能型和高壓型三種類型，常用于高速傳輸接口保護，具體以用戶提供的數據表為準。

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