压敏电阻的选型与计算分析
摘要 ：
本文介绍了如何通过计算，定量的选择合适的压敏电阻。
我们经常说的“压敏电阻”在台湾地区被称为“突波吸收器”，在日本被称为“变阻器”，IEC在其标准中称“voltage dependent resistor”(VDR)，学术界广泛使用的名词则是“varistor”(variable resistor的组合词)。
现在广泛使用的压敏电阻是由多种金属氧化物合成的，其中主要的组成材料ZnO约占90%；它具有电阻值对外加电压敏感变化的特性，所以压敏电阻也是一种半导体元件；它主要用于感知、限制电路中可能出现的各种瞬态过电压、吸收浪涌能量（即保护用压敏电阻），也可作为高压小电流稳压元件和电压波动检测元件等（即电路功能用压敏电阻）。
1.压敏电阻的应用及简单分类
1.1压敏电阻的应用
我们通常把压敏电阻应用在过电压保护中，通常我们将过电压分为雷击过电压、操作过电压、静电过电压、和故障过电压四类。低压电器中用到压敏电阻主要是防止雷击过电压和静电过电压。（需要特别说明的是，这里说的雷击过电压并不是指“直击雷”，而是指“感应雷击过电压”，即雷电流在其方圆1.5km范围内产生的幅度和频率都很高的电磁波扰动引起的导体感应瞬态过电压。）
1.2 压敏电阻的分类
根据应用的环境不同，压敏电阻一般分为浪涌抑制型（绝大多数压敏电阻器都属于这一类）、高功率型和高能型（压敏电阻还可根据结构、材料和伏安特性分别分类）。浪涌抑制型用于抑制雷击或静电等引起的瞬态过电压；高功率型用于吸收周期出现的，平均功率较高的过电压连续脉冲群（如并接在开关电源变换器上）；高能型用于吸收发电机励磁线圈、起重电磁铁线圈等大型电感线圈中的磁能。
2. 压敏电阻的选型
压敏电阻作为过电压保护器件，在实际应用环境中，如何选择额定参数十分重要，如果选择不当，很有可能引起压敏电阻自身损害，甚至燃烧。
2.1压敏电阻的主要参数
压敏电压：亦称标称电压，在压敏电阻的V/I特性曲线中，对应直流参考电流为1mA或0.1mA（1mA用于瓷片直径7mm及其以上的压敏电阻，0.1mA用于瓷片直径5mm及其以下的压敏电阻）时的电压Un，也可表示为U1mA或U0.1mA。压敏电压一定程度上也可以理解为压敏电阻由预击穿到击穿的拐点。
最大连续工作电压：在应用时能长期承受的最大交流电压Urms或最大直流电压Udc。若应用于交流电路中，最大连续交流工作电压的峰值1.414*Urms不大于压敏电压的公差（±10%）下限值，即
；若应用于直流电路中，压敏电阻在Udc作用下的功耗与其在Urms下的功耗大体相等或略小于其在Urms下的功耗，以此得出的经验公式
。
最大通流量Im：压敏电阻能够承受一次或两次（间隔时间5分钟）8/20us标准雷电流波形的最大浪涌电流峰值。（“能够承受”的含义是：冲击后无明显的机械损伤且冲击后的压敏电压与冲击前相比不大于±10%。）
最大能量Wm：压敏电阻能够耗散的规定波形的浪涌电流或脉冲电流的最大能量。（“能够”的含义是：冲击后无明显的机械损伤且冲击后的压敏电压Un与冲击前相比不大于±10%。）
额度功率Po：在电流脉冲群作用下，压敏电阻能够承受且保持热稳定和不发生结构破坏的最大平均功率。
残压比Kr：流过压敏电阻的特定波形电流为某一值时，在它两端所产生的电压称为这一电流值的残压Ur。残压比则是残压与压敏电压之比，它可以比较直观的反应出压敏电阻限制过电压的能力。
限制电压Up：亦称钳位电压，是残压的一种形式。它表示压敏电阻在规定的特定波形的冲击电流下（不通片径的压敏电阻对应的大小也不一样），厂家给出的压敏电阻两端电压（即残压）的上限值。
漏电流IL（等待电流）：环境温度25℃时，在压敏电阻上施加其所属规格的最大连续直流工作电压，流过压敏电阻的直流电流。（这一指标在大多数生产厂家的产品说明说中是找不到的，但是压敏电阻出厂时的初始漏电流与压敏电阻的寿命特性和安全性都有较为密切的关系，例如漏电流过大会造成压敏电阻发热，发热又会引起压敏电压的下降和漏电流的进一步上升，如此循环反复，最终压敏电阻就会因温度过高而起火燃烧）。产家判定的标准是
电容量：压敏电阻在导通前电阻值很大，可视为电介质材料，两个电极之间存在pF级的电容，在高频电路中需要考虑，这制约了压敏电阻在高频电路和数字电路中的应用。
非线性指数а：指压敏电阻在给定的电压作用下，其静态（预击穿状态）电阻值与动态（击穿状态）电阻值之比，是元件电阻值是否随电压或电流变化和变化是否敏感的标志。对于瓷片直径为5mm的压敏电阻，
；对于瓷片直径为7mm及以上的压敏电阻，
。
电压温度系数TC：指在规定的温度范围（温度为20℃～70℃）内，压敏电阻压敏电压的变化率，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。
(%/),所以设计时要考虑温度降额设计。降额量可参照下图1。
2.2 压敏电阻选型步骤
自压敏电阻的相关参数很多，但是实际选型时并不要求了解每一个参数，需要考虑的参数一般只要3.1中所说到的前七个就够了。还有一点要注意的就是压敏电阻的降额设计，包括温度降额设计和脉冲电流降额设计，温度降额设计方法前面已经叙述，至于脉冲电流的降额设计的必要性是因为随着压敏电阻承受的冲击次数的增多，其能承受的脉冲最大电流逐渐减小，选型手册给出的最大通流量是只冲击一次的，有些也列出冲击两次的，需参照选型手册中的降额设计曲线（Derating curves）。
选型一般分为一下七个步骤：
步骤一：确定压敏电阻工作在交流多少伏或直流多少伏条件下、根据后端确定需要的最大限制电压是多少、环境温度、特定电流下的连续耐冲击次数和元件所用封装及片径。
步骤二：根据确定的工作电压计算需要保护的电压（即压敏电阻的压敏电压Un和最大连续工作电压的参数选择）。
步骤三：基于压敏电阻的某一片径，选择一个电压要求符合步骤一计算结果的某一压敏电阻系列。
步骤四：计算起保护时，电路可能出现的浪涌电流峰值（即压敏电阻通流量Im的选择）和压敏电阻两端电压（即残压），如果残压过大，那么重复步骤三，选择更高电压的压敏电阻。
步骤五：通过脉冲电流降额设计判断步骤三中选择的压敏电阻是否符合步骤四计算出来的对脉冲电流最大值的要求。
步骤六：计算最大能量和平均功率。
步骤七：保护电压水平校验。
2.3 压敏电阻选型举例
步骤一：正常工作电压AC230Vrms，最大限制电压1000V，最大环境温度50℃，7mm片径插装。按照IEC61000-4-5中的规定，模拟开路电压4KV雷击L-N的测试中，源阻2Ω，连续冲击10次（正反各5次），每次间隔60s。
步骤二：电网波动系数最大假设为1.3（如农村电网之类的相当严酷的条件下），那么AC220Vrms的电源系统正常工作时有可能出现的最大电压Urms=220Vrms*1.3=286Vrms。那么，就要选择一个最大连续交流工作电压≥286Vrms的压敏电阻。
步骤三：我们先以片径7mm为对象，那么根据≥330Vrms这一条件，初选S07K320。
步骤四：需要承受的浪涌等级为4级，即雷击测试条件为开路电压4KV。源阻以2Ω计算，假设在压敏电阻前端放置一个直流电阻为28Ω的电感线圈，所以总源阻为30Ω。
我们可以把在雷击下的压敏电阻看成下图2的这个系统：因VAC<<VS、起保护时压敏电阻阻值远小于实际负载阻值，所以有了图2中的等效关系。
根据上图得出：起保护时，压敏电阻两端电压(即残压) Ur=Us-Ix(RS+28Ω)
（即Ur=4000-30I），这里的I为压敏电阻导通电流。当：I=0, Ur=Us=4000V;Ur=0,
在S07K320的V/I特性曲线中，画出Ur=Us-Ix(RS+28Ω)，即4KV、30Ω的负载线Ur=4000-30I。负载线与V/I曲线的交点Q就是压敏电阻在工作时，浪涌电压达到4KV时，压敏电阻起保护的导通点。Q点的电压就是压敏电阻起保护导通时两端的电压，Q点的电流就是压敏电阻起保护时流过压敏电阻的电流。在压敏电阻选型手册中，量出Uq=1000V(即残压最大),因选型手册中画的V/I曲线是在压敏电压正误差10%的情况下绘制的，所以残压Ur此时是标称值Uo的1.1倍，导致流过压敏电阻的电流不是最大的，只有在压敏电压负误差10%的情况下，残压Ur是标称值Uo的0.9倍时，所得出的电流才是最大的。所以，要计算压敏电阻导通电流最大值的话，实际残压得取负误差10%计算，即
计算得出雷击4KV压敏电阻起保护导通时，短路电流最大值为
(有时为了计算简便也可简化为
)，这个值要小于等于压敏电阻的最大通流量Im（即Ipm≤Im）。
步骤五：通过脉冲电流降额设计判断步骤三中选择的压敏电阻是否符合步骤四计算出来的对脉冲电流最大值的要求。
通过查看压敏电阻S07K320选型手册中的“Derating curves”，在脉冲宽度为20us时，冲击次数为10的最大允许冲击脉冲电流。Ipm≤Im，符合要求。
步骤六：计算最大能量和平均功率。
在连续冲击十次（标准8/20us波形），每一次的最大能量 
小于S07K320的最能量25J。
每次间隔60s的平均功率为：
,小于S07K320的最大平均功率0.25W。
步骤七：保护电压水平校验
从步骤四得出，残压最大Urmax≈818V，小于限制电压1000V。
3小结
随着对产品可靠性的要求越来越严格，压敏电阻的使用也越来越广泛，在选型时可以选择规格较大的，而简化计算，但是残压也会随着规格的增加而增加，所以，压敏电阻的选型也是一个需要反复迭代计算的过程。
另外，随着计算机辅助设计技术的发展，电路仿真已经越来越成熟，压敏电阻的选型及分析也可以先通过本文的方法计算，后借助仿真软件来仿真验证。本文不在此叙述仿真过程。