有关电涌保护的新法规迫使工程师寻找解决方案，以最小的成本损失集成此类保护，特别是在成本敏感的消费产品中。在汽车领域，电涌保护也越来越重要，这要归功于即使是最基本的量产车中电子含量的快速增长，以及公认的电源电压相对不稳定和车辆点火系统干扰的问题。
另一个不断增长的电涌保护市场是电信领域，在电信领域，交换机和整个网络中不断提高的智能导致敏感半导体的使用增加，而对正常运行时间和可用性的严格要求意味着对供应中断的高敏感性是无法容忍的。
浪涌保护解决方案
电涌保护装置可防止电磁效应产生的浪涌，例如由各种效应引起的雷电或静电放电。因此，可以在电源输入端应用浪涌保护，以对抗操作设备外部电源上的干扰或内部产生的过电压，这些过电压通常由高感性负载开关引起。
电涌保护器可以通过滤波来衰减瞬态，也可以转移瞬态以防止损坏负载。那些转移瞬态的设备分为两大类：撬棍设备，切换到非常低的阻抗模式，使瞬态短路，直到电流达到低水平;以及将电压限制在规定水平的钳位装置。撬棍组包括由气体或绝缘层击穿触发的设备，例如气隙保护器、碳块探测器、气体放电管 （GDT） 或二极管 （BOD），或由晶闸管导通触发;其中包括过压触发的可控硅和振荡器。
撬棍型装置的一个优点是其非常低的阻抗允许高电流通过，而不会在保护器内耗散大量能量。另一方面，当器件切换或过渡到击穿模式时，存在有限的电压时间响应，在此期间，负载可能会暴露在破坏性的过电压下。另一个限制是功率跟随，其中来自电压源的电源电流跟随浪涌放电。该电流在交流电路中可能无法清除，而在直流应用中，清除更加不确定。
齐纳二极管（或雪崩二极管）和电压相关电阻器（压敏电阻器）显示可变阻抗，具体取决于流过器件的电流或端子两端的电压。他们利用这一特性将过电压箝位到取决于器件设计和构造的水平。阻抗特性虽然是非线性的，但却是连续的，并且没有时间延迟，例如与间隙火花或晶闸管触发相关的时间延迟。箝位装置本身在低于箝位水平的稳态电压下对电源和负载是透明的。
低成本、高性能压敏电阻
钳位的主要功能是通过将其阻抗降低到一定水平来吸收过电压浪涌，使始终存在的串联阻抗上的压降足够大，从而将“关键部件”上的过电压限制在可接受的水平。现代齐纳二极管非常有效，最接近理想的恒压钳位。然而，雪崩电压保持在一个薄的结区，导致大量热量产生。因此，齐纳二极管的能量耗散能力非常有限。
相比之下，压敏电阻显示非线性、可变阻抗。压敏电阻设计人员可以通过利用新材料和结构技术来扩展压敏电阻的应用范围，从而在很宽的范围内控制非线性程度。例如，压敏电阻现在为需要低保护水平和低待机电流的低压逻辑以及交流电源线和高容量公用事业型应用提供了一种经济高效的解决方案。
与瞬态抑制二极管相比，压敏电阻可以吸收更高的瞬态能量，并且可以抑制正负瞬变。此外，对于撬棍型器件，压敏电阻响应时间通常小于一纳秒，并且器件可以承受高达 70,000A 的浪涌。与二极管相比，它们的寿命长，压敏电阻失效模式是短路。这样可以防止在未检测到保护电路故障时可能导致的负载损坏。压敏电阻通常比撬棍型设备节省成本。
压敏电阻操作
金属氧化物压敏电阻（MOV）通常由烧结氧化锌和合适的添加剂制成。每个晶间边界都显示一个整流动作，并呈现一个特定的电压势垒。当这些导电时，它们会形成低欧姆路径来吸收浪涌能量。在制造过程中，氧化锌颗粒在烧制之前被压制一段时间和温度，直到达到所需的电气特性。压敏电阻的行为由以下关系定义：
I = KVα
其中 K 和 α 是设备常量。
K 取决于器件几何形状。另一方面，a 定义了电阻特性中的非线性程度，可以通过选择材料和应用制造工艺来控制。高α意味着更好的夹具;氧化锌技术使压敏电阻的 A 值在 15 到 30 之间，明显高于碳化硅压敏电阻等前一代器件。压敏电阻的V-I行为如图1所示，突出显示了压敏电阻的不同工作区域。保护区域的斜率由设备参数 β 确定，该参数与 a 成反比关系。事实上，压敏电阻的行为也可以用以下关系来描述：
V = 置信区间β（I = KVα 的倒数)
其中 C 也是与几何相关的设备常量。
图1还比较了压敏电阻特性与理想电压钳位器件的特性，理想电压钳位器件的斜率为零，以及齐纳二极管特性。齐纳二极管比较突出了压敏电阻还提供的扩展保护区域，以实现可比的电流和功率能力。
纳入排除标准
对于大多数应用，您可以通过评估所需应用的四个方面来确定选择：
1.设备或系统的正常运行条件，以及是否施加交流或直流电压。图 2 显示了可用于确定必要的稳态额定电压或工作电压的流程图。
您可以找到各种尺寸和电压的 VDR，范围从 8V 到 1000Vrms 或更高。与正常电路工作电压相比，所选压敏电阻的标称电压越高，其可靠性越高，因为该器件能够承受更多的浪涌电流而不会降低性能。缺点是过度指定的压敏电阻提供的保护水平降低。因此，您应保持以下关系：
被保护设备的最大耐压>压敏电阻钳位电压>最大连续工作电压。
2. 确定重复峰值电流。图3显示了可用于确定重复峰值电流的流程图。最大浪涌电流与组件的尺寸有关，从几百安培到几十千安培不等（标准波形为 8/20 μs）。一旦知道重复峰值电流，就可以计算压敏电阻所需的能量吸收，单位为焦耳（瓦秒或Ws）。
3.计算能量吸收。有两种情况——一种是直流电，一种是交流电。可用压敏电阻的能量额定值从几焦耳到几百焦耳不等。
案例 1 — 计算直流功耗：压敏电阻中耗散的功率等于电压和电流的乘积，可以写成：
W = I × V = C × I β +1
当系数α = 30 （β = 0.033） 时，压敏电阻耗散的功率与电压的 31 次幂成正比。在这种情况下，仅增加 2.26% 的电压就会使耗散功率增加一倍。因此，重要的是施加的电压不要超过某个最大值，否则将超过允许的额定值。此外，由于压敏电阻的温度系数为负，因此在较高的耗散（以及相应的较高温度下）电阻值将减小，耗散功率将进一步增加。
案例 2 — 计算交流耗散：当正弦交流电压施加到压敏电阻上时，通过积分VI积来计算功耗。合适的表达方式如下：
瞬态能量额定值以焦耳为单位。重要的是要确保压敏电阻能够在计划的产品寿命或更换间隔内吸收这种能量而不会出现故障。当该器件用于防止由电感或电容放电（例如切换电机）引起的瞬态时，瞬态能量很容易计算出来。但是，如果压敏电阻有望防止来自外部源的瞬态，则瞬态的幅度通常是未知的，因此必须应用近似技术。这涉及在找到施加到压敏电阻上的瞬态电流和电压后计算吸收的能量。可以应用以下公式：
E = 从 0 到 Γ 的积分（直到 V c （t） I （t） Δt 的一切） = KVcIΓ
其中 I 是峰值电流，Vc 是产生的箝位电压，t 是脉冲持续时间，K 是取决于电流波形的能量形状因子常数。
4.包装尺寸和样式。在选择包装尺寸和样式时，必须考虑电气和机械方面的考虑。这包括确定所需的额定能量和浪涌电流幅度，以及该器件是否旨在防止异常浪涌或由重复事件引起的浪涌，这些浪涌将反馈到选择过程中。预期耗散的能量也会影响这一点，设计人员必须确保封装尺寸适合产品的物理和机械设计。传统的外形尺寸通常从直径几毫米到50毫米的圆盘类型，或用于高能量处理零件的块状和矩形类型。
其他重要的选择考虑因素是引线电感和器件电容的影响，它们也会影响压敏电阻在电路中的性能，在选择使用压敏电阻时必须考虑。在传统的引线器件中，引线的电感会减慢压敏电阻的快速动作，以至于保护被抵消。
对压敏电阻进行建模时，会显示一个分流电容，其范围可能从几十pF到几nF不等，具体取决于器件的尺寸和电压范围。根据应用的不同，这种电容的存在可能无关紧要，是一种理想的特性，或者在最坏的情况下，有问题。例如，在直流应用中，大电容是可取的，并且可以提供一定程度的滤波和瞬态抑制。另一方面，它可能排除使用压敏电阻来保护高频电路。
示例应用程序
压敏电阻可用于保护通用负载免受电源产生的电涌的影响。电源自身的输出阻抗与压敏电阻的输出阻抗相结合，形成一个电位分压器，其比率随压敏电阻阻抗而变化，以保护负载。您可以在图 5 中看到替代应用。在没有压敏电阻保护的情况下，当 S 闭合时，通过泵电机的测得峰值电流为 1A。因此，在电机电感中建立电磁场所消耗的能量为：
在没有压敏电阻保护的情况下，当S断开时，1A的初始电流将流过晶闸管电桥，并产生足以损坏或破坏晶闸管的电压。开关的开路触点上将发生电弧。但是，在电路中插入压敏电阻时，在开路开关 S 上压敏电阻两端产生的峰值电压为：
V = CMAX × Iβ = 600V。
电桥中的晶闸管可以承受这个电压而不会损坏。返回到电路的总能量为 200 mJ。在这 200 mJ 中，15.1 mJ 在加热器中耗散，184.3 mJ 在压敏电阻中消散。压敏电阻可以承受超过 105 个包含此能量的瞬变。图6显示了在电视应用中如何使用压敏电阻来抑制内部产生的尖峰，以供进一步参考。、
发展新路径
压敏电阻在广泛的应用中比撬棍式电涌保护器和齐纳二极管箝位器件更节省成本，并具有性能优势。增强的材料和优化的组件设计，特别是在氧化锌压敏电阻领域，为压敏电阻开辟了新的应用，特别是那些需要低保护水平和低待机电流的压敏电阻。
为了满足该行业对小型化和表面贴装技术的压倒一切的追求，采用单层 SMD 封装的 VDR 正在出现，以在相对较小的体积内满足中等能量处理能力。此外，如果圆盘式压敏电阻在外壳内占用相对较大的空间，则新型薄型压敏电阻可降低此类器件在电路板上方的最大高度，同时保持同等的电流处理能力。除此之外，超高浪涌压敏电阻在市场上的应用也更广泛，能够提供改进的浪涌电流/尺寸比，并允许用具有类似性能和可靠性的小型器件替换大型元件。
其他新型压敏电阻类型采用热熔断器，可在异常使用时提供可预测的“故障安全”行为。进一步的发展途径包括能够在整个电压/浪涌能力范围内处理高于 125°C 的环境温度的压敏电阻。
