浪涌/ESD的基础与对策零部件

2017-11-07

所谓浪涌及ESD
浪涌/ESD的对策零部件
“ZNR_®”浪涌吸收器
1. “ZNR_®”浪涌吸收器的主要技术规格
2. “ZNR_®”浪涌吸收器的使用例
片式压敏电阻器
1. 片式压敏电阻器的使用例
静电抑制器
1. 静电抑制器的使用例
替换齐纳二极管的优点
1. 所谓齐纳二极管
2. 替换为压敏电阻器的优点
ESD对策零部件小结
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所谓浪涌及ESD

浪涌与ESD(静电放电)是瞬态的高电压，在一些条件下是非常危险的干扰。要说浪涌和ESD的影响，如果其大小为设备和电路的容许范围内，或许只是出现误动作就结束了，但多数情况下是远远超过容许范围的高电压。这种情况下，会瞬间对零部件或设备造成损坏。图中所示为浪涌的电压和浪涌宽幅的示意图。
以下就浪涌与ESD进行说明。

① 雷击浪涌

作为自然现象的雷电，自然不用多说具有非常大的能量。雷电造成的浪涌，可以区分为直击电涌和感应浪涌。对直击浪涌进行保护是非常困难的，但是对感应浪涌则可采取保护对策。感应浪涌指的是电源线路和通信线缆等比较长的配线由于附近的雷击而感应发生的高电压浪涌。有关其发生，可能是由于雷云的电场，导致电线上被感应的电荷因雷击而放电，或是由于雷击的电流而产生的磁场使得电线产生感应电动势等所导致的。如前面的图中所示，感应浪涌虽然不如直击浪涌，但是也具有轻易地损坏电气或电子零部件的大能量，因而需要采取对策。

② 开关浪涌

开关浪涌是一种瞬态的高电压浪涌，它是在开关和继电器等通/断(开/关)时(特别是断开时)，由于急剧的电流变化和电路或配线的电感变化，而在触点处诱发高电压浪涌。开关浪涌的电压非常高，有的情况下还会产生火星，因电感与触点的寄生静电电容造成的大衰减振动电流会放出热或电磁波。此高电压浪涌是导致电子电路错误动作的原因，在有的情况下还是导致零部件损坏的原因。此外，放出的衰减振动的电磁波将会成为EMI，因而需要采取抑制开关浪涌的对策。

③ 负载突降浪涌(load dump)

负载突降浪涌是在汽车上起因于电池的阻断而产生的浪涌。在交流发电机(电池充电用发电机)因发动机的动作而处于对电池进行充电的状态下，出现对电池的连接中断情况是最坏的情形。浪涌电压的大小，是由切断瞬间同步发电机的旋转速度和磁场的励磁强度来决定的。浪涌电压有的情况下会超过100V，时间为数百毫秒。此浪涌具有较大的能量，因而会轻易地损坏电子零部件。针对必须容许的负载突降浪涌的要求，汽车厂家和车载设备厂家等对最大电压、线路阻抗、持续期间做出了规定。此外，负载突降浪涌的试验包括JASO A-1(日本)和ISO-7637-2 Pulse 5(美国)等。

④ ESD

ESD(静电放电)是人体和物质所具有的微小寄生电容中所蓄积的电荷向周围物体放电的一种现象，它被分类为浪涌的一种。 ESD，虽然时间短，能量小，但由于是达数千伏的短暂性的瞬态高电压，会诱发电子电路的错误动作，或者造成电子零部件的损坏。关于ESD，通常利用人体模型和机器模型等评估或试验方法。此外，通过假定场景所需的对策器件的利用来实现回路保护。

浪涌/ESD的对策零部件

作为浪涌和ESD的对策，通常使用压敏电阻器和齐纳二极管。这些对策零部件在两端子间电压低的情况下具有高阻值，但是当电压升高至某种程度以上时，电阻就会急剧下降。
利用此特性，向电路施加高电压的浪涌时，通过使得电流旁通，就可预防浪涌侵入到电路内。

右图所示为通过压敏电阻器来保护电源电路免受感应浪涌影响的事例。如果将压敏电阻器并联连接到电源的输入侧线路上，即使在有数千伏感应浪涌侵入的情况下，电压也会被压敏电阻器限制起来，对于电源电路保证加压至不会导致零部件损坏或劣化。

实际的浪涌/ESD对策零部件，根据浪涌的种类和要采取对策的线路(信号、电源等)，提供已经进行了优化的零部件。
我们从中选取了“ZNR_®”浪涌吸收器、片式压敏电阻器、静电抑制器。
另外，“ZNR_®”浪涌吸收器是松下电器的商品名，是用于浪涌对策的压敏电阻器。

“ZNR_®”浪涌吸收器

松下电器的“ZNR_®”浪涌吸收器，是用来吸收浪涌的陶瓷压敏电阻器，是对应感应浪涌、开关浪涌、负载突降浪涌的商品。
松下电器是在全世界首次向市面推出陶瓷压敏电阻器的厂家，通过其优异的陶瓷材料设计和过程技术、以及元器件设计和生产技术，拥有众多的实绩。 “ZNR_®”浪涌吸收器使用陶瓷元件，这种陶瓷元件是在主要原料的氧化锌(ZnO)中加入几种添加剂，借助特有陶瓷工艺手法烧结而成的。它兼备有与齐纳二极管相匹敌的优异的电压非线性特性和无以伦比的大耐电流特性。它可对应广泛的应用，如电压稳定化、脉冲电压的抑制、开关浪涌电压的吸收以及雷击浪涌的吸收等。
另外，“ZNR_®”是氧化锌非线性电阻器(Zinc-Oxide Non-liner Resistor)的简称，是松下电器的注册商标。

基本构造

“ZNR_®”浪涌吸收器的主要技术规格

表示用来表示“ZNR_®”浪涌吸收器的规格和性能的主要技术规格。

技术规格项目	解　说
压敏电阻器电压　[V]	原则上为DC1 mA 通电时的零部件的两端电压值。这是压敏电阻器动作的电压的标准值。
最大容许电路电压　[V]	系可连续施加的商用频率正弦波电压有效值的最大值，或者直流电压的最大值
最大限制电压　[V]	我们将在施加浪涌电压时压敏电阻器所限制的电压值叫做限制电压，在个别的产品目录中作为此最大值的规定最大限制电压。
浪涌电流耐受量　[A]	表示压敏电阻器能够耐受多大程度的浪涌电流。
安全标准	对于受浪涌影响的零部件，各国都制定了安全标准，如UL(北美)、CSA(加拿大)、IEC(欧洲)、CQC(中国)等，在所在国必须使用符合该国制定的安全标准的零部件。

在选定“ZNR_®”“ZNR®”浪涌吸收器时，需要对预想的浪涌电压/电流和使用电路电压进行核实，确认技术规格是否一致。

“ZNR_®”浪涌吸收器的使用例

“ZNR_®”浪涌吸收器从发电厂到一般的电器产品上有着广泛的应用。

サージアブソーバの使用例

片式压敏电阻器

片式压敏电阻器即片式型的层叠压敏电阻器，是基本构造与层叠陶瓷电容器(MLCC)一样的层叠陶瓷零部件。前面已对“ZNR_®”浪涌吸收器即为陶瓷压敏电阻器的情况进行说明，片式压敏电阻器也属于其同类伙伴。但是，片式压敏电阻器所对应的电压和电流远比“ZNR_®”浪涌吸收器对应的电压和电流小，主要被用于ESD的对策。

松下电器的片式压敏电阻器具有以下特点。

属于小型表面安装类型(0603、1005、1608)，可实现多种应用的小型/轻量化。
通过特定的陶瓷材料、过程技术，具有高可靠性、高ESD抑制效应、高ESD耐受量、高浪涌耐受量。
车载用等级一应俱全(依照AEC-Q200，取得ISO/TS16949)
保证长寿命(负荷寿命2000小时，温度周期2000周期)，对应高耐热(150℃)

片式压敏电阻器的使用例

片式压敏电阻器作为通用的ESD对策零部件，已被用于各种电子设备。

チップバリスタの使用例

静电抑制器

静电抑制器为间隙类型的ESD(静电放电)对策零部件。随着静电电容的极小化，适宜用于高速信号线路。

与前述的片式压敏电阻器相比，静电电容非常小这一点是特性上较大的差异。电压－电流特性与数千伏的ESD的特性相对应。静电电容在0.05pF以下(0603、1005尺寸)，非常小，因而几乎对高速差动信号电路的传输特性和高频电路中的插入损耗没有影响。

【传输特性】

USB2.0遮罩测试

无传输质量劣化

静电抑制器的使用例

静电抑制器的使用例包括以下。

便携式电子设备的天线电路(GPS、NFC等)
车载设备的天线电路(汽车导航、AM/FM、汽车AV系统)
高速差动信号电路(USB2.0/3.0、HDMI1.4/2.0)
各种信号线路

ESDサプレッサの使用例

替换齐纳二极管的优点

浪涌/ESD对策零部件除了压敏电阻器、静电抑制器外，还包括齐纳二极管，这里就从齐纳二极管替换为压敏电阻器(“ZNR_®”浪涌吸收器、片式压敏电阻器) 带来的优势作说明。

所谓齐纳二极管

在说明替换的优点之前，首先简要说明一下什么是齐纳二极管。
齐纳二极管的电压和电流特性如下图所示。齐纳二极管单体唯有负侧的电压具有电压限制效应，而如果将两个齐纳二极管反向串联连接起来，则可像压敏电阻器一样获得双向的电压限制效应。
相比压敏电阻器的优点为其保护动作电压可从低电压(数伏)进行設定。

ツェナーダイオード電圧電流特性

但是其缺点是与压敏电阻器相比，在形状/重量和安装面积方面不利。为了获得与压敏电阻器一样的浪涌/ESD吸收效应，需要同时加入3个零部件(包括电容器)来构成，而如果是压敏电阻器，只要1个零部件就足矣。
另外，连接两个齐纳二极管是在1个零部件中进行的，虽然作为双向齐纳二极管已实现商品化，但是即便如此，形状相比压敏电阻器依然处于劣势。

バリスタと比較

替换为压敏电阻器的优点

在将齐纳二极管替换为压敏电阻器(“ZNR_®”浪涌吸收器、片式压敏电阻器)时，具有以下优点。

优点1：实现小型／轻量化，安装面积减少

如前所述，在用齐纳二极管来采取浪涌对策时，需要使用3个零部件，而如果是压敏电阻器，只要1个零部件就可替代，因而可实现大幅度的小型／轻量化，并可减少安装面积。
在汽车的负载突降浪涌对策的示例中，将5W的齐纳二极管替换为“ZNR_® ”浪涌吸收器(SMD类型HF系列)时，安装面积和重量均可减少67%。
此外，在ESD对策的示例中，将0.2W的齐纳二极管替换为片式压敏电阻器(1005尺寸)时，安装面积可减少85%，重量可减少75%。