一文认识压敏电阻

大家好，这里是大话硬件。

今天这篇文章用5000字的篇幅讲清楚压敏电阻。

1. 压敏电阻

压敏电阻，英文名Voltage Dependent Resistor，缩写VDR，或者叫Varistor，Variable（会变的）+ Resistor（电阻）。它的伏安特性曲线具有非线性。也就是压敏电阻的阻值并不是固定的，存在动态变化。

这种电阻的动态变化正是因为压敏电阻两端的电压不同而表现出不同的阻值。即在一定电流电压范围内，压敏电阻值随电压而变，或者说是电阻值对电压敏感的器件，所以这就是为什么叫压敏电阻。

压敏电阻的工作原理是：在正常电压下相当于一个小电容（结电容），当电路出现过电压时，利用压敏电阻的非线性，它的内阻急剧下降并迅速导通，其工作电流增大几个数量级，此时压敏电阻的电压会立马被钳位在某个固定值，因此。压敏电阻与电路并联使用，是一种过压保护元件，从而保护电路不受过压的影响而损坏。

组成压敏电阻的材料类型比较多，常见的有氧化锌压敏电阻，碳化硅压敏电阻，氧化钛压敏电阻和钛酸钡压敏电阻。氧化锌压敏电阻的主体材料是二价元素锌和六价元素氧。因此，压敏电阻经常被简称为MOV，金属氧化物压敏电阻。

压敏电阻也被称为突波吸收器，是一种具有电压电流对称特性的电压属性电阻器，它主要的设计是用来保护电子产品或元件免受开关或雷击所产生突波的影响。压敏电阻的响应时间是ns级，比气体放电管要快，但是比TVS管要慢一些，用在一般电子电路中进行过压防护，响应时间可以满足要求。

压敏电阻在电路中的标识如下：

从图片的标识可以看出，压敏电阻的原理图符号是在电阻的基础上增加了可变的意思。

压敏电阻封装类型有直插式和贴片式。

图1和图3长引线式是插件型，图2和图4封装为贴片型。引线越短，寄生的电感和电容就越小，在受到浪涌冲击时，压敏电阻的残压一定时，因为寄生参数的影响会导致峰值电压不一样。在使用时，可以从同型号器件的不同封装进行对比参数差异。压敏电阻最常见的是使用图1的封装放在电源口进行浪涌防护。

压敏电阻器件构造如下图所示

从上面的示意图中可以看出，压敏电阻主要有5个部件组成：绝缘层，本体，导电银浆，连接条，引脚。

2. 压敏电阻伏安特性曲线

压敏电阻的伏安曲线如下图所示，从上图中可看出压敏电阻的伏安曲线具有对称性，比较适合实用交流电路中进行过电压的防护。

压敏电阻的伏案特性具有非线性，根据电压的不同，可以将压敏电阻的伏案曲线分为三个部分，漏电流区（Leakage Region）」、「工作区 （Normal Region）」及「上转区 （Upturn Region）」。

下面对这三个区进行分别说明：

（1）漏电流区

当压敏电阻工作在漏电区时，此时压敏电阻两端的电压较低，压敏电阻对外表现出较大的阻抗，通常在MΩ级别，此时压敏电阻在电路中仅仅会增加漏电流，器件不会动作。

（2）工作区

工作区也是压敏电阻的非线性区，此时电流在较大范围内变化，但是压敏电阻两端的电压并没有太大的变化，呈现较好的钳位特性，这也正是压敏电阻发挥作用的区间。

（3）上转区

上转区也被称为饱和区。当工作在非线区的压敏电阻承受的电流继续增大后，此时压敏电阻限压的特性会消失，电阻会急剧下降，阻抗变得很小，此时因为压敏电阻会因为较大功耗而发热，最终会将压敏电阻烧毁甚至炸裂。因此，压敏电阻在使用的时候，不能进入到饱和区即上转区，基本上就损坏了。

3. 压敏电阻关键参数

压敏电阻的关键参数如下图所示，来源于音特电子的官网5D系列的压敏电阻。

同理，对于君耀电子的压敏电阻数据手册如下图所示。

从上面两个厂家的器件规格书可以提炼出压敏电阻的关键参数有如下几个：

（1）压敏电压Varistor Voltage

压敏电压是指在压敏电阻两端通1mA的直流电流来表示其是否导通的电压。在有些规格书里面被称为Vb，同时，压敏电阻经常会表示为V@ 1mA。从两份规格书可以看出，压敏电压通常是一个范围，同样是18V的压敏电压，音特电子测出的电压范围在1620V，而君耀电子是1521.6V。因此，根据经验总结出，压敏电压通常的误差范围在15%左右。在做实验时，如果发现压敏电压偏离正常值的15%，可认为压敏电阻为失效的状态。

（2）最大允许使用电压 Maximum Allowable Voltage

最大允许使用电压里面包含了两个电压，直流电压DC值和正弦交流电压有效值AC值。也就是压敏电阻能持续用在交流电路和直流电路时，压敏电阻两端的电压不要超过这个推荐的数值。根据经验值，最大允许使用电压Uac=0.6U1mA，Udc=0.8U1mA

在电路中如果选用音特电子5D180K型号的压敏电阻，那么直流电压最大不要超过14V，交流电压有效值不能超过11V，如果计算交流电压的最大峰值15.5V。

（3）最大限制（钳位）电压 Maximum Limited（Clamping）Voltage

音特电子规格书中称为最大限制电压，君耀电子规格书中是最大钳位电压，所表达的意思是一样的。在谈到钳位电压时，有比较说明一下，电路防护器件防护类型有钳位型和开关型，压敏电组是属于钳位型的器件。

也就是压敏电阻在发挥作用后，即使外界的电压很高，但是最终都会被钳位型的器件钳位在某一个固定的电压。压敏电阻的最大钳位电压是指，在压敏电阻两端施加规定的8/20us波冲击电流时，压敏电阻上呈现的电压。施加的电流为某特定的脉冲电流波，在规格书中都有详细的说明。如下图所示。

在音特电子规格书中还单独对该电流进行了说明，其他器件所使用的电流为5A，但是对于180K~680K型号的器件最大限制电压改为1A。而在君耀电子的规格书中， 每个最大钳位电压会有一个对应的施加电流值。

比如选择180K型号的压敏电阻，可以看到器件的最大限制电压为40V，也就是残压为40V，后级电路正常工作的电压要高于40V才行，不然压敏电阻将电压钳位在40V，后级还是会被损坏。

（4）通流容量 Withstanding Surge Current

通流能力也被称为最大冲击电流，是指压敏电阻能承受1.2/50us和8/20us的冲击电流峰值。在规定的条件下，规定的时间间隔和次数，施加标准的冲击电流，允许通过器件的最大电流。

在音特电子规格书中要求能承受两种不同的电流波形，但是在君耀电子的规格书里面只写一种8/20us的冲击电流，这种电流只需要施加一次就可以。判断压敏电阻在这种标准的电流波形冲击下是否能承受住的标准是压敏电压是否存在10%的改变。

从规格书中也能看到，这个同流能力包含两个值，一个是标准的电流，数值比较小，而另外一个是更高的浪涌电流，数值相对更大。

（5）静态功率 Rated Wattage

静态功率是指压敏电阻在规定的环境温度下，可以承受施加在压敏电阻上最大的平均功率。也就是这个功率和温度有关系。在特定的环境温度85℃下工作1000小时，使压敏电压变化小于10%的最大功率。

（6）能量耐量 Energy

能量耐量的意思是指在压敏电阻两端施加一个10/100us或者2ms的脉冲波时，压敏电压变化不能超过10%所能承受的能量。如果按照10%的变化会损坏压敏电阻，那么就是上面的能力施加后，压敏电阻不能失效。

（7）静态电容量 Typical capacitance

静态电容量，都会带有一个@1KHz，也就是压敏电阻在这样的标准波形下面呈现出来的寄生电容值为对应的数值，一般在几千pF。

（8）精度范围

指器件标称的压敏电压上下浮动的精度。一般为±10%

（9）绝缘电阻

在特定的环境温度85℃下工作1000小时，使压敏电压变化小于10%的最大功率。

（10）电流温度系数

指在压敏电阻器的两端电压保持恒定时，温度改变1℃时，流过压敏电阻器电流的相对变化。

（11）电压非线性系数

指压敏电阻器在给定的外加电压作用下，其静态电阻值与动态电阻值之比。

（12）残压比

通过压敏电阻器的电流为某一值时，在它两端所产生的电压称为这一电流值的残压。残压比则是残压与标称电压之比。

（13）漏电流

压敏电阻在电路中还未动作时，流过压敏电阻的电流为漏电流。

（14）电压温度系数

指在规定的温度范围(温度为20℃～70℃)内，压敏电阻器标称电压的变化率，即在通过压敏电阻器的电流保持恒定时，温度改变1℃时，压敏电阻器两端电压的相对变化。

（15）最大冲击电流（8/20us）

以特定的脉冲电流(8/20us波形)冲击压敏电阻器一次或两次(每次间隔5分钟)，使压敏电压变化仍在10%以内的最大冲击电流。

4. 压敏电阻选型

（1）确定应用电路正常工作电压和压敏电压。

根据电路的工作电压，通过以下的方式来确定压敏电阻的标称压敏电压。一般情况下，实际的压敏电压是标称压敏电压存在误差，这种误差导致在计算实际压敏电压时，需要乘以1.1~1.2倍。

如果是直流电路，考虑到实际直流电压波动常见范围为1.2 ~ 1.5，因此在直流电路中，一般为额定电压的1.8 ~ 2倍。如果是交流电路，电压峰值和有效值存在1.4倍的关系，交流电路中电压也会存在波形，波动上限为1.4 ~ 1.5倍左右，因此，在交流电路中，一般为额定电压的2.2 ~2.5（1.21.51.4）倍。

具体的计算和原因分析在君耀电子的手册中有详细的介绍。对于过压保护方面的应用，要充分考虑到VDR虽然可以吸收很大的浪涌电能量，但是不能承受毫安级以上的持续电流；一般考虑V1mA和通流容量两个参数，VDR的压敏电压值要大于实际电路电压值，还有电源电压波动，压敏电压精度，压敏电阻老化等因素，一般用以下经验公式计算：

a为电源电压的波动系数，一般取（0.1~0.3）

v为在电路中压敏电阻两端的直流电压（交流取电压峰值）

b为压敏电阻误差，一般取0.1~0.2

c为元件的老化系数，一般取0.1

这样算出来得到下面这个公式：

V1mA = 1.35 ~ 1.8Vp = 1.9 ~2.5VAC，Vp为额定电压峰值，VAC为交流电压有效值一般会放宽到：V1mA = (1.8 ~ 2.0) Vp = (2.2 ~ 2.5) Vp

（2）确定被保护电路的防护量级和通流量。

根据防护量级确定压敏电阻通流量，假设防护器件测量波形为8/20us主要有以下几种计算方式。

电源电路差模防护：比如某电源接口差模防护量级测试需要达到2000V，那么根据回路内阻2Ω，计算回路电流I为V测试/R内阻=100A通流量选择要求IMAX>I工作×2=2000A。

电源电路共模防护:比如某电源接口供模防护量级需要达到4000V，那么根据回路电阻为12Ω，计算回路电流330A，器件通流量选择要求660A。

信号电路共模防护：比如某信号接口共模防护量级1000V，根据回路内阻40Ω，计算回路25A，器件通流量选择50A。

（3）确定压敏电阻两端的结电容。

结电容以不影响被防护电路的正常工作为准。压敏电阻的电容一般都较大，存在几千pF级别，因此不适合用在高频的场合，不然会影响电路的正常工作。

电源电路如果加在线线之间结电容可以不用关注，如果加在线地之间那么需要考虑漏电流对于产品安全的影响。信号电路防护器件的结电容需要根据电保护电路信号速率来定，高速信号线上尽可能选择结电容小的器件，以便不影响保护电路的正常工作。

5. 压敏电阻选型注意事项

防护器件是要求器件最大通流量为理论计算通流量的两倍以上，以便增加器件的使用寿命，即IMAX>I工作×2=1000A。

通流量不能满足使用要求时，可将几只单个的压敏电阻并联使用，其通流量为各单只压敏电阻之和，要求并联的压敏电阻伏安特性尽量相同，否则易引起分流不均而损坏压敏电阻，这种方法可以使用，但是不推荐使用。

由于压敏电阻在抑制暂态过压时，能量超过其额定容量时，一旦击穿短路是不可恢复的，必须更换，因此在器件应用到电源电路上前面必须加装保险丝。

压敏电阻用于电源口对地进行共模防护时，需要在线地之间增加保险丝，防止器件失效导致电源对地短路或者压敏电阻配合气体放电管对地使用。

由于压敏电阻结电容较大，在信号接口设计时需要考虑对工作信号的衰减。压敏电阻一般用在工频电路中。

压敏电阻使用时需要考虑残压大小是后级电路可以接受的。

6. 压敏电阻防护电路

（1）交流防护

压敏电阻在进行交流防护时，共模防护会和气体放电管搭配使用，差模防护就使用单个压敏电阻即可。

（2）直流防护

直流防护如果没有PE线，直接在正负极之间放置压敏电阻即可，如果有PE线可以参考交流防护的方式，共模和差模都需要进行防护。下面是TDK官网展示的压敏电阻防护的示意图。

考虑到压敏电阻失效后电阻下降比较大，用在直流防护时，一般会和保险丝配合起来使用，当后级有较大电流时，前级的保险丝可以快速的熔断。