Багатошарове рішення: чіп-варистори MULTILAYER

1. Конструкція і принцип дії варисторів
2. ВАХ варистора і його основні електричні параметри
3. Чіп-варистори YAGEO
4. Особливості застосування варисторів
5. Висновок
6. Про компанію Yageo

Багатошарові мініатюрні варистори від компанії YAGEO дозволяють забезпечити захист сигнальних ліній постійного струму з широким діапазоном робочих напруг від 5.5 до 30 В. Завдяки відмінним характеристикам вони знаходять застосування в телекомунікаційному обладнанні, портативної, побутової та споживчій електроніці.

Компанія YAGEO спеціалізується на виробництві пасивних компонентів електроніки. Одним із пропонованих компанією продуктів є багатошарові чіп-варистори. Метою даної статті є огляд номенклатури варисторів YAGEO: опис технології виробництва, розгляд електричних параметрів і вказівку їх особливостей.

Ця компанія відома як виробник високоякісних пасивних компонентів:

• чіп-резисторів (товстоплівкових загального призначення, тонкоплівкових прецизійних, шунтів, резисторів для автомобільної промисловості, високостабільних резисторних збірок, варисторів);
• вивідних резисторів (вуглецевих плівкових, металоплівкових, резисторів з низькоомними висновками, метало-оксидних плівкових, резисторів для імпульсних ланцюгів, перемичок);
• багатошарових керамічних конденсаторів (MLCC) (загального призначення, мініатюрних, конденсаторів з гнучкою структурою, конденсаторних збірок, високовольтних нізкоіндуктівних, конденсаторів для ВЧ-ланцюгів, захисних конденсаторів X2Y);
• компонентів для бездротових рішень (антен, фільтрів);
• електролітичних конденсаторів (мініатюрних, з засувками і ін.);
• индуктивностей (чип-индуктивностей, багатошарових чіп-индуктивностей, потужних індуктивностей і ін.).

Пасивні компоненти YAGEO застосовуються в самих різних областях електроніки: силовий, промислової, автомобільної, побутової, медичної. Крім того, компоненти використовуються в освітленні і в альтернативній енергетиці (використання сонячної енергії, енергії вітру і т.д.).

Одним з продуктів YAGEO є багатошарові чіп-варистори (MLCV, Multi Layer Chip Varystor), що застосовуються для захисту ланцюгів від перенапруги.

Компанія YAGEO випускає варистори різних типорозмірів з різними характеристиками. Для того, щоб розібратися зі значенням основних параметрів варисторів, необхідно розглянути їх принцип дії, конструкцію і технологію виробництва.

Конструкція і принцип дії варисторів

Варистори - це напівпровідникові резистори з нелінійної вольт-амперної характеристикою, основна властивість яких полягає в здатності значно змінювати свій електричний опір при зміні прикладається до нього напруги.

Варистори не є ідеальними обмежувачами. Ідеальний обмежувач при перевищенні напруги обмеження стрибком зменшує свій опір до нуля. Реальні варистори не можуть похвалитися такою якістю, хоча їх опір в зоні обмеження змінюється досить швидко.

Існує кілька різних матеріалів, що володіють необхідними властивостями, наприклад, карбід кремнію (SiC) та оксид цинку (ZnO). Для кожного з них ступінь нахилу ВАХ різна.

ZnO володіє кращими параметрами і є найбільш поширеним матеріалом для створення варисторів. При низькій напрузі оксид цинку фактично є діелектриком з струмами витоку в одиниці мікроампер. При збільшенні напруги вище певної межі (напруги пробою) відбувається локальний розігрів ZnO, що призводить до оборотного пробою. При пробої опір різко зменшується, а протікають струми зростають.

Збільшення струмів призводить до збільшення виділеної потужності і розігріву структури варістора. Значне збільшення потужності, що розсіюється може привести до необоротного теплового пробою. При цьому структура варістора руйнується.

Максимальна потужність варістора залежить від площі активної області ZnO. Чим більше площа активної області ZnO, тим краще відведення тепла, і тим більші струми він здатний пропустити. Одним із способів збільшення активної площі варістора є застосування багатошарової структури.

Конструкція багатошарових чіп-варисторів нагадує конструкцію багатошарових керамічних конденсаторів. Технологія виготовлення і виробництва складається з ряду стадій.

• Підготовка матеріалів. Вихідні матеріали перевіряються на чистоту хімічного складу, подрібнюються і перемішуються протягом декількох годин до отримання однорідної суміші.
• Отримання листів ZnO. Отримана раніше суміш розкочується в листи і висушується. На даному етапі важливо забезпечити рівномірність товщини листів ZnO.
• Нанесення фольги Ag / Pd. На аркуші ZnO наноситься паста Ag / Pd, що володіє високою адгезією. З металізованих шарів збирають стопку.
• Запресовування. Багатошарова конструкція піддається опресування під тиском близько 150 т.
• Нарізка. Створену структуру нарізають на окремі частини відповідно до необхідного типорозміром компонента. Перевіряється поєднання шарів металізації.
• Випал. Суть операції випалу полягає в усуненні механічної напруги і створення необхідних pn-переходів, що забезпечують ВАХ варистора. Температура випалу становить понад 1000 ° C.
• Нанесення захисного покриття. Для захисту від вологи варістор покривається шаром скла.
• Нанесення зовнішніх електродів. На торці елементів наноситься паста Ag / Pd, що володіє високою адгезією, на ній в подальшому формують зовнішні електроди Ni / Sn.
• Тестування і контроль. Тестування складається не тільки з перевірки електричних параметрів: додатково перевіряється здатність до пайки і ряд інших властивостей.

Описана технологія виробництва має очевидні переваги.

По-перше, багатошарова структура дозволяє збільшити ефективну площу активного шару ZnO - значення розсіюваною потужності варістора зростає при незмінних габаритах.

По-друге, змінюючи товщину ZnO, можна отримати різну напругу пробою: чим товще шари ZnO, тим вище його значення.

По-третє, запропонована структура є симетричною, тобто полярність прикладається напруги не має значення. Це призводить і до симетричності ВАХ варистора.

ВАХ варистора і його основні електричні параметри

ВАХ варистора симетрична і має кілька яскраво виражених областей (рисунок 1).

Мал. 1. Типова ВАХ варистора

• Область струмів витоку - це область низьких напруг, в якій струм, що протікає через варістор, малий, вона визначається струмами витоку і становить одиниці мікроампер.
• Область обмеження - область, в якій починається пробою, і струм різко зростає.
• Область максимального імпульсного струму характеризується максимальним струмом, який варістор може витримати один раз за час служби.

ВАХ може бути описана виразом:

U = B × Iβ

Тут U - напруга, B - напруга варістора при струмі 1 А, I - струм, β - коефіцієнт нелінійності, який характеризує ступінь нелінійності ВАХ варистора і визначається як відношення статичного і динамічного опору.

На жаль, користуватися цією формулою виходить не завжди через неповноту даних, наведених в документації на компонент. Тому при виборі варістора слід орієнтуватися на окремі параметри.

• Класифікаційне напруга (Uк, В) (Varistor Voltage або Breakdown Voltage) - напруга на варисторі при струмі 1 мА. Ця точка є фактично граничної між провідним і діелектричним станом ZnO. Величина класифікаційного напруги може лежати в широких межах від одиниць вольт до десятків кіловольт.
• Максимальна робоча напруга (Uраб макс, В) (Maximum Working Voltage або Operating Voltage) - напруга на варисторі, при якому струм через нього не буде перевищувати величину заданого струму витоку. Значення робочої напруги лежить в діапазоні від одиниць вольт до десятків кіловольт. Напруга на варисторі повинна перевищувати робоча напруга тільки в разі обмеження перешкоди.
• Точність робочої напруги (%) (Working Voltage Tolerance) - визначає допустимий розкид робочих напруг варістора. Значення зазвичай нормуються ± 10%, ± 15%, ± 20%.
• Струм витоку (Iу макс, мкА) (Leakage Current) - максимальний струм, що протікає через варістор, при напружених нижче максимального робочого напруги. Величина цього струму залежить не тільки від прикладеної напруги, але і від температури.
• Максимальний імпульсний струм (Iімп. Макс, А) (Maximum Peak Current) - максимальний струм варістора, який він може пропустити єдиний раз за термін служби. Важливо розуміти, що це імпульсний параметр, і величезне значення має форма і потужність імпульсу. Як правило, виробники вказують тип впливає імпульсу, при якому вимірювався максимальний імпульсний струм. Значення цього параметра, зазвичай, складають від одиниць до сотень ампер.
• Максимальна імпульсна напруга (Uімп. Макс, В) (Maximum Clamping Voltage) - максимальна напруга, яке може витримати варістор. Даний параметр наводиться для конкретного протікає струму і конкретної форми прикладеного імпульсу. Варистор може витримувати неодноразове вплив максимального імпульсного напруги.
• Номінальна потужність розсіювання (Вт або Дж) (Dissipated Power) - найбільша потужність, яку варістор може розсіювати в заданих умовах протягом терміну служби при збереженні параметрів у встановлених межах. Дуже часто цей параметр не призводять до документації, натомість обмежуються визначенням максимальних струмів і напруг при заданій формі імпульсу.
• TKR варістора має від'ємне значення і зазвичай не перевищує 0.1%.

Крім електричних параметрів, важливими є параметри швидкодії:

• Час спрацювання (Response Time), (нс) - час, за яке варістор переходить з високоомного стану в провідний. Мінімальні значення цього параметра починаються від десятих часток наносекунд.
• Номінальна ємність (Capacitance), (пФ) визначає частотні характеристики варистора. Як показують дослідження, ємність варистора залежить від частоти прикладених імпульсів. Зі збільшенням частоти ємність зменшується. Величина ємності на частоті 1 кГц починається від одиниць пикофарад.
• Точність номінальної ємності (Capacitance Tolerance), (%) - значення ємності для нормальних умов, має нормований розкид. Як правило, точність ємності складає ± 10%, ± 15%, ± 20%, ± 30%.

При виборі варістора слід звернути увагу на його відповідність стандартам по стійкості до електростатичних розрядів. Існує безліч стандартів, але для російського і європейського ринку необхідна відповідність МЕК 61000-4-2 «Стійкість до електростатичних розрядів» (ГОСТ Р 51317.4.2-99). У документації повинен бути зазначений тип проведення випробувань (контактний або безконтактний) і напруга випробування (2, 4, 6, 8 кВ).

Чіп-варистори YAGEO

Компанія VAGEO пропонує багатошарові чіп-варистори двох основних типорозмірів: 0402 і 0603 (рисунок 2). Завдяки використанню багатошарової структури вдалося домогтися широкого діапазону робочих напруг при малих і, що дуже важливо, незмінних габаритах (таблиця 1).

Мал. 2. Вказівка ​​габаритних розмірів чіп-варисторів

Таблиця 1. Габаритні розміри чіп-варисторів YAGEO

Типорозмір
дюймовий Довжина (L1), мм Ширина (W), мм Висота (T), мм L2 / L3, мм L4, мм хв, макс, 0402 1.0 ± 0.10 0.5 ± 0.10 0.5 ± 0.10 0.15 0.3 0.4 0603 1.6 ± 0.15 0.8 ± 0.15 0.8 ± 0.10 0.2 0.6 0.4

Робоча напруга варисторів YAGEO становить 5.5 ... 30 В. При цьому значення максимального імпульсного струму складають одиниці і навіть десятки ампер (таблиці 2, 3).

Таблиця 2. Чіп-варистори YAGEO типорозміру 0402

Таблиця 3. Чіп-варистори YAGEO типорозміру 0603

З табличних даних видно, наприклад, для VRS0402SR55R220N , Що при напрузі до 5.5 В струм через варистор не перевищує 10 мкА, а при напрузі 22 В струм складає 1 А. Таким чином, при збільшенні напруги менш ніж в 4 рази, значення струму зростає в 100000 раз!

Важливою перевагою варисторів YAGEO є малий час спрацьовування, що не перевищує 1 нс. Крім того, величина ємності складає одиниці-сотні пФ, що забезпечує швидкодію на високих частотах.

Варистори YAGEO відповідають вимогам МЕК 61000-4-2 (ГОСТ Р 51317.4.2-99). Причому компоненти піддаються випробуванню на вплив найбільш жорсткого типу розряду - контактного з випробувальним напругою 8 кВ (рисунок 3). Це дозволяє використовувати варистори як для захисту від потужних перешкод, які розповсюджуються по лініях харчування, так і для захисту сигнальних ліній від перешкод і електростатичних розрядів.

Мал. 3. Схема проведення і випробувальний імпульс по ГОСТ Р 51317.4.2-99

Прикладами захисту сигнальних ліній від статичного розряду за допомогою варисторів є:

• захист диференціальних ліній шини USB;
• захист диференціальних ліній шини IEEE1394 (FireWire);
• захист приймають входів ліній радіоприймачів;
• захист сигнальних ліній RS-232;
• захист мікросхем по входу скидання RESET (наприклад, при використанні кнопок скидання) і ін.

Замовлення варисторів YAGEO проводиться за допомогою фірмової системи позначень, яка містить найменування приладу VRS і шість параметричних полів: код типорозміру, точність класифікаційного напруги, класифікаційне напруга, ємність, код процесу, який визначає розкид номіналу ємності (таблиця 4).

Таблиця 4. Система позначень чіп-варисторів YAGEO

VRS xxxx x R xxx xxx x Типорозмір Точність Класифікаційне напруга Ємність Точність ємності 0402 K = ± 10% 55R = 5.5 В 121 = 120 пФ N = ± 30% 0603 L = ± 15% 380 = 38 В K = ± 10% M = ± 20% L = ± 15% S = Normal Range M = ± 20%

Особливості застосування варисторів

Типова схема включення варисторів має ряд особливостей.

Вибір варистора. Як було сказано вище, варістор вибирається виходячи зі значення робочого і класифікаційного напружень. Однак потрібно пам'ятати, що варістор не є ідеальним обмежувачем. Це означає, що чим більше потужність перешкоди, тим більше буде струм і напруга на варисторі. Перешкода, що наводиться на захищений ділянку ланцюга, буде обрізана в повному обсязі, а лише частково.

В результаті протягом деякого часу до навантаження може бути докладено значне перенапруження, і навантаження повинна його витримувати.

На малюнку 4 показаний випадок потужної перешкоди. При відсутності варістора, мікросхема стабілізатора LM2937-3.3 , Що має максимальне вхідна напруга 30 В, могла бути пошкоджена. варистор VRS0603SR090090N на робочу напругу 9 В обрізав напруга перешкоди до 20 В. Це перенапруження виявилося прикладеним до LM2937. Так як результуюча перешкода виявилося менше 30 В, то стабілізатор виявився захищений.

Мал. 4. Схема включення варисторів

Вибір захисного запобіжника. Варистор, будучи захисним елементом, сам потребує захисту. При перевищенні величини допустимої потужності, що розсіюється варістор руйнується. Дуже часто при руйнуванні варістор розсипається на частини. Це може привести до псування навколишніх елементів, друкованих доріжок і самого текстоліту. Щоб цього не допустити, застосовується вхідний запобіжник FU1 (малюнок 4), який не дасть струму перевищити максимальне значення.

Потрібно розуміти, що струм запобіжника вибирається менше, ніж максимальний імпульсний струм варістора. Час спрацювання варістора мало, а спрацьовування запобіжника - досить велике, тому запобіжник повинен встигнути прогрітися і спрацювати до того, як вигорить варістор.

З іншого боку, знизу значення струму запобіжника обмежена величиною струму навантаження. Щоб обійти це обмеження, в доповнення до запобіжника FU1 включають запобіжник FU2 з меншим значенням струму.

Вимоги до часу спрацьовування. У ряді випадків навантаження має захист від вхідних перешкод і статичного розряду і здатна витримувати імпульси напруги певної тривалості. При виборі варістора варто приділити увагу часу спрацьовування. Якщо варістор не встигне погасити перешкоду, поки працює власна захист навантаження, то навантаження може бути пошкоджена. Час спрацювання варисторів YAGEO не перевищує 1 нс.

Особливості послідовного включення варисторів. Таке включення застосовують у випадках, коли необхідно збільшити сумарну робоча напруга варисторів.

При послідовному включенні однотипних варисторів поглинається ними потужність буде ділитися між ними практично порівну, незважаючи на неповне збіг ВАХ. Дійсно, струм, що протікає через варистори, однаковий. Напруга, як було сказано вище, буде відрізнятися відповідно до точністю робочої напруги не більше ніж на ± 20%, тому і потужність буде відрізнятися не більше ніж на 40%.

Особливості паралельного включення варисторів. Таке включення застосовують досить рідко.

При паралельному включенні до варистором буде докладено однакову напругу, але струми будуть відрізнятися.

Різницю в протікають токах можна оцінити приблизно. Відмінність в робочих напругах, як показано вище, становить 40%. Раніше було розраховано, що для VRS0402SR55R220N при зміні напруги в 4 рази струм змінювався в 100000 раз. Відповідно, при зміні напруги навіть в 0.4 рази струм може змінитися в сотні разів, а величина потужності, що розсіюється паралельно включених варисторів - в десятки.

При таких розбіжностях в потужності паралельне підключення не має практично ніякого сенсу.

Іноді використовують паралельне включення варисторних стовпів (ланцюжків варисторів), але в цьому випадку беруться варистори однієї партії і вибираються по відповідності ВАХ.

Висновок

Варистором YAGEO віпускаються в мініатюрніх корпусах (0402, 0603) и ма ють багатошарову конструкцію. Це дозволяє отримувати широкий діапазон класифікаційних напруг і високі значення максимальних струмів.

Варистори YAGEO, завдяки компактності і відмінним характеристикам, можуть застосовуватися в різних електронних пристроях: у портативній електроніці (наприклад, ноутбуки), телекомунікаційному обладнанні, побутової та споживчій електроніці.

Отримання технічної информации , замовлення зразків , замовлення и доставка .

Про компанію Yageo

YAGEO - міжнародна корпорація, що спеціалізується на виробництві пасивних компонентів. Продукція корпорації сьогодні - це всілякі резистори, конденсатори, індуктивності, ферити. Компанія Yageo утворилася в 1977 році і спочатку була орієнтована на виробництво прецизійних резисторів, які широко застосовувалися на швидко зростаючому ринку комп'ютерної техніки. У 1994 році в компанію влився сінгапурський виробник резисторів ASJ. У 1996-97 роках в результаті злиття компаній ... читати далі