讲透压敏电阻的工作原理、选型以及相关计算

我们今天分享一下压敏电阻的选型以及相关计算的知识。

首先我们需要回答一个问题，为什么需要压敏电阻。压敏电阻，顾名思义，对电压很敏感的电阻;中文这个“敏感”对应到电路中，应该就是一个非线性的变化：当电压达到一定的数值的时候，器件的阻抗呈现出剧烈的变化，这个剧烈的变化应该是量级上的。我们之所以会需要这种特性的电阻，肯定是电气设备中会遇到这样的源，需要这样的响应;反过来说，如果没有这样的响应，电路中的其他相邻或者相关器件就会出问题。

大自然的起电方式，其实主要有两种，一个是感应起电，一种是摩擦起电。我们常用的水电、风电、火电等等，本质上属于感应起电，发电的过程本质上属于机械能通过电磁感应现象转化成电能的过程。这些电能经过升压之后，进行远距离传输，然后再经过降压，最后变成我们日常使用的220V的交流电。摩擦起电，我们比较熟悉的就是静电现象，以及雷电现象。静电，大家很多人肯定都有切实的感受，尤其是在冬天的时候。雷电，其实蕴含着非常巨大的能量，可是因为它的位置飘忽不定以及瞬间非常高的电能释放，人类到目前为止也没有办法驯服雷电，让它为人类所用。目前能做的，还是想办法避免它造成的灾害。

其实压敏电阻这个器件之所以被发明出来，就是为了在雷击的发生的时候，防护器件的。雷电的存在是不以人的意志为转移的，对于这个电源，我们利用不了它，但是总不能被其所害。由于雷电产生的高压高能量具有瞬间性，那么必然要求防护器件也具有这样的响应特性。压敏电阻也就应运而生了。

压敏电阻外观上，大体就是这个样子。它的内部结构是什么样子的呢?实际上压敏电阻是使用陶瓷工艺制作而成，它内部的微观结构中包含氧化锌的晶粒以及晶界。晶粒因为内部晶体分子排列非常整齐，所以电阻率很低;晶界则不然，它的电阻率却很高。相互接触的两个晶粒之间相当于形成了一个齐纳二极管的势垒，这个其实就是一个压敏单元。每个压敏单元的击穿电压差不多是在3.5V。压敏电阻的基体就是很多这样的单元进行串联和并联而成。串联的单元越多，它的击穿电压也就越高;并联的单元越多，它的通流量也就越大。压敏电压在工作的时候，它的每个单元都在承受浪涌电能量，而不像齐纳二极管那样，只有结区才承受电功率，这也就是压敏电阻能够承受大得多的浪涌能量的原因。

我们先来看一下压敏电阻的位置，一般在开关电源中，压敏电阻处在接线端子的后面，和LN之间的负载是并联的。

我们看一下雷击能量过来的时候，压敏电阻是如何实现对相关器件保护的。正常工作的时候，压敏电阻两端之间的阻抗是非常大的，可以近似地看成是开路的(实际上存在着非常微小的漏电流，一般10-20uA)。一旦雷击能量来了，会有瞬间高压加载压敏电阻上，这个时候压敏电阻就会被击穿，呈现出非常低的阻抗。这个内阻在雷电这个能量源的内阻Re面前，相对来说非常小，那么根据电阻分压的原理压敏电阻上的电压就会非常小。压敏电阻和后级负载是并联关系，因为压敏电阻相对负载电阻来说也非常小，所以大量能量都是从压敏电阻流过，被压敏电阻吸收了。通过这样的方式，就实现了对负载的保护。

讲完了压敏电阻的基本原理，我们来看一下压敏电阻该如何选型，既然要提到选型，肯定离不开压敏电阻的各种参数，只有深刻理解了这些参数，我们才能对压敏电阻的选型更加自如。我们先来看一下，常用的471KD10和471KD20这两款压敏电阻。

我们首先需要回答的是，这个命名是什么意思，一般情况下命名标记上往往会一个器件最关键的信息。这个名字可以分为两个部分，第一个部分是471K：471，表示压敏电压是47*10^1 = 470V; K表示精度误差在+/-10%左右。第二部分，D10(或者20)，表示压敏电阻的直径是10mm还是20mm，从数据上来看，肯定直径越大，压敏电阻的个头越大。

下面，我们就从名字入手来解释压敏电阻的一些指标。第一个关键词就是压敏电压，那什么是压敏电压呢?压敏电压是指在压敏电阻上加上一个直流电压，如果流过压敏电阻的电流达到1mA，这个时候的直流电压就被称之为压敏电压，所以有时候压敏电压也用U1mA或者V1mA来表示。比如对于471KD10，这款压敏电阻，它的压敏电压就是470V。因为器件的一致性问题，或者说误差的存在，K级别的压敏电阻的压敏电压在423V(470V*0.9)到517V(470V*1.1)之间。

我们下面来看一下最大允许工作电压，这个指标的意思其实是压敏电阻能够长时间承受的最大电压，这个电压分为交流电压和直流电压。一般最大允许的交流电压是压敏电压的0.64倍，最大允许的直流电压是压敏电压U1mA的0.82倍。

最大钳位电压也就是我们说的残压或者说最大限制电压，是指给压敏电阻施加规定的8/20us波冲击电流时它两端的电压。这个8/20us冲击电流是什么意思呢?也就是8us中达到峰值电流的90%，20us后电流降低到峰值电流的50%，这个冲击电流是模仿雷电的冲击电流来设计的。从这个电流的波形上就可以看出，压敏电阻其实并不需要太快的响应速度，这个器件更重要的使命是能够能量吸收掉，当然这个都是相对于TVS二极管而言的。我们选择压敏电阻的时候，它的残压一定要小于被保护电器的耐压水平，否则就达不到保护的目的。

我们这里要注意呀，有些产品的datasheet中，在这一栏里面有一个和钳位电压相对应的电流值。其实这个电流值的意义不大，我们只需要关注最大钳位电压这个值。

最大通流量，是指最大脉冲电流的峰值是指环境温度为25°情况下，对于规定的冲击电流波形和规定的冲击电路次数而言，压敏电压变化不超过+/-10%的最大脉冲电流。大家可以看一下，471KD10的最大通流量可以达到2500A，这个电流是超级大的。用这么大的电流去冲击压敏电阻的话，会对压敏电阻这个器件本身造成伤害的。基本上打个10来次，压敏电阻就损坏掉了。我们选择压敏电阻的时候，器件本身所能够承受的最大通流量一定要大于实际工作中所承受的通流量。

我们这里需要注意了，在datasheet里面，最大限制电压这个值是在一定的电流值下测出来的，比如我们这个471KD10就是在25A的时候，最大限制电压为775V。实际进行EMC测试的时候，冲击电流肯定是大于这个的，比如我们进行4000V雷击测试的时候，考虑走线上的电阻、压敏本身的电阻、NTC的电阻，差不多有5R左右，那么冲击电流就有800A左右。那么此时的限制电压或者说钳位电压是多少呢?实际上压敏电阻通流越大，肯定限制电压也就越高，但是这个升高的幅值没有那么大，也就是说电流越大，压敏电阻的阻抗越低。U = I*R，有增长，但是增长的速度是放缓的。25A的时候，最大限制电压是775V，压敏电阻的等效内阻差不多是31R;我们假定800A的时候，它的限制电压是1500V，此时压敏电阻的等效内阻是1.875R，为什么这个地方是假定呢，因为实际测试的时候，很少会去测这个值。大家可以看到一半压敏电阻的后面，还有X电容、Y电容等吸收措施，这个电压其实是上不去的。实际测试的时候，比如我们做8000V的雷击实验，实测X电容上端的电压大约在500V左右，大概就是这个样子。

讲完了这个，后面还有一个最大能量值，其实这个最大能量值也是和压敏电阻的直径强相关的。我们说雷击的电压虽然高，但是毕竟时间短暂是吧，所以能量总值不是很大是吧。我们这里可以来算一下，比如4000V的雷击，回路的总阻抗还是以5R来算，那电流值差不多是800A，我们说雷击的持续时间一般是20us是吧。那么我们来算一下，这么短的时间内，雷击总共释放了多少能量呢?

E = U * I * t = 4000V * 800A * 20S ÷ 1000000 = 64J

我们这里采用了估算的方式是吧，实际上电流不是一直都是800A的，具体波形上面我们也画出来的，那这样算的话，实际雷电释放的能量差不多只有30J左右。这里面有不少能量被电线、保险丝、NTC电阻吸收掉了，实际上压敏电阻吸收的能量还要少一些。

我们来看一下，最后一个指标，压敏电阻的额定功率。471KD10的额定功率是不是只有0.4W呀，也就是说压敏电阻不能持续通过很小的电流是吧。这个从它的封装大小也能看出来，实际上压敏电阻不工作(没有雷击)的时候，它的漏电流是很小的，一般小于20uA，所以正常工作的时候，这个封装功率都是可以满足要求的。但是供电电压是不稳定的，那么流过压敏电阻的电流值也会变大，但是长期工作下，471KD10所能承受的最大功率也就是0.4W。

讲完了压敏电阻的各个参数，我们具体选型的时候，最主要的两个指标。一个就是压敏电压，一个就是通流量。我们国内市电的电压是220V，但是这个电压是有波动的，尤其是在供电质量相对较差的农村。我们假定正常情况下，电压有20%的波动，那么市电的有效值也就变成了264V。我们根据有效值和峰值的关系，可以推算出来市电的峰值电压在373V。这个373V也是一个大体的估计值，实际上峰值电压可能比这个还高。我们选择的471KD10这个压敏电阻，我们计算下来它的开启电压是在423V到517V之间，是吧。但是我们说这个+/- 10%其实是正态分布的，也就是说存在极个别的压敏电阻开启开启电压小于423V的。综合考虑电网的不稳定性和压敏电阻精度的问题，选择开启电压大于470V是相对合适的。最大通流量这个指标，根据刚才我们的算法，大体评估一下就可以了，这里很难有精确的计算。实际进行EMC测试的时候，如果不能通过，就换大一号的。如果空间不够，我们还可以选择加强型的。

如果我们想降低残留电压，可以使用压敏电阻和气体放电管串联的办法，如下图所示。

上图的方案采用的是391压敏电阻+600V的气体放电管，因为气体放电管导通之后残余电压非常低，压敏电阻这里选择391的，动作之后它的残余电压相比471也要低不少。391的钳位电压是650V左右，471的钳位电压是775V。R1、R2的作用是为了减少气体放电管上的电压，因为陶瓷放电管电容只有几个pF，但是压敏电阻有几百个pF，根据电容分压，陶瓷放电管上的电压基本就等于电源电压。

讲完压敏的好处，我们来看一看压敏电阻的缺点。我们前面提到过，压敏电阻主要是用来防止雷击的，雷击的能量其实是us级别的，实际上压敏电阻的反映时间差不多是ns级别。另外它的个头也相对较大，那么要实现对芯片器件更为精细的保护，这个时候压敏电阻就有点吃力了。这个时候，一般使用TVS二极管，它的反应时间更为迅速，响应时间为ps级别的，而且它的体积也相对比较小，比如0603或者0402封装。当然TVS二极管不能流过较大能量，所以它一般处于防护的最后级。

我们关于压敏电阻的分享，就先到这里。

审核编辑：汤梓红