浪涌吸收器在產(chǎn)品測試中的應用 - 全文

對精度要求極高(穩(wěn)定性2．5×105)電子產(chǎn)品，裝配調(diào)試時應將溫度、電源、電場、磁場等影響因素降到最小程度。
??? 由于電裝車間的諸多不同儀器設備共用同一電源和地線，在調(diào)試、測試高精度產(chǎn)品時，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)當開關其他用電設備(如：高溫箱、電風扇)時，產(chǎn)品輸出數(shù)據(jù)發(fā)生跳變。文獻指出“當接通或斷開電感負載、繼電器的線圈或變壓器一側(cè)開關元器件，經(jīng)常產(chǎn)生開關浪涌電壓或電流，尤其以切斷空載變壓器和繼電器最為嚴重”。浪涌電壓或電流是指電路在工作過程中有時出現(xiàn)比正常電壓或電流高出很多倍的電壓或電流。浪涌電壓(電流)的特點是作用時間短，作用電壓(電流)大。例如直流6 V的繼電器或線圈斷電時產(chǎn)生的浪涌電壓高達300～600V。
??? 浪涌的產(chǎn)生有外因也有內(nèi)因，外部因素主要是供電電源引入，內(nèi)部因素主要是電路自身斷開感性負載(繼電器、變壓器等)、電容器等。如果電路設計未考慮浪涌對元器件的影響，那么，元器件就處于被浪涌損傷的危險情況。這些年許多電裝車間發(fā)生數(shù)起元件損壞事件，對其中的幾個損壞的元件作失效分析，其結(jié)果多為：過電應力損傷、電流過大燒毀、大電壓擊穿，這些失效模式是典型的浪涌損壞結(jié)果。
??? 可見，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高工作效率；避免元器件損壞，節(jié)約成本；提高產(chǎn)品可靠性；配合今后生產(chǎn)線改造，適應批量生產(chǎn)形式的需求，研究涌浪電壓(電流)產(chǎn)生的深層次機理和如何消除或抑制浪涌電壓(電流)是非常重要的。
??? 經(jīng)過一段時間的研究和試驗，找到了一種比較好的浪涌抑制器件(TVS管)。將該器件加裝在某軍工產(chǎn)品測試臺上，可以有效抑制高溫箱開關產(chǎn)生的浪涌影響。為了進一步試驗其可靠性，我們已經(jīng)在某工位安裝使用該器件4個月，結(jié)果表明這款電子產(chǎn)品測試試驗時很少發(fā)生跳大數(shù)現(xiàn)象。

1 浪涌的抑制方法以及國內(nèi)外現(xiàn)狀
??? 最常見的浪涌的抑制方法是給電子設備加裝浪涌吸收器。如前所述，浪涌作用的時間短(ns或μs級)、量級大(幾百到幾千V)，這就對浪涌吸收器提出2個要求：響應時間快；短期過載能力強。
??? 早期浪涌吸收器有：RC濾波器、D型二極管、硒整流器、氧化鋅壓敏電阻器、雪崩二極管等。這些器件曾得到廣泛的應用，但是其響應時間一般為μs級，不能很好地抑制某些高速浪涌。隨著電子制造技術(shù)的提高，近年來西方出現(xiàn)了一種理想的浪涌吸收器(Transitent Voltage Suppressor Diode，TVS)。TVS能承受瞬時脈沖功率高達上kW，其箝位響應時間僅為1 ps，允許的正向浪涌電流可達50～200A。
??? TVS在美國應用十分廣泛，特別是在軍事電子裝備中非常重視，美國軍標不僅出版了不少TVS器件的標準，同時在線路應用方面也有軍標。如在文獻列出不少TVS的應用實例；文獻中也談到了TVS的應用。TVS在國內(nèi)的應用，正處于推廣應用階段。所以，掌握TVS器件的特點，并將其正確應用，將大大提高產(chǎn)品的可靠性和抗電磁干擾性能。

2 TVS器件的特點與電特性
??? TVS器件的特點：在規(guī)定的反向應用條件下，當承受一個高能量的瞬時過壓脈沖時，其工作阻抗能立即降至很低的導通值，允許大電流通過，并將電壓抑制到預定水平，從而有效地保護電子線路的精密元器件免受損傷。
??? 單向TVS的電特性如圖1所示，其正向特性與普通穩(wěn)壓二極管相同，反向擊穿拐點近似“直角”為硬擊穿是典型的PN結(jié)雪崩器件。從擊穿點到UC值所對應的曲線段表明，當有瞬時過壓脈沖時，器件的電流急劇增加而反向電壓則上升到拉電壓值，并保持在這一水平上。

??? 雙向TVS的電特性如圖2所示，如同2只單向TVS“背靠背”組合，其反正2個方向都具有相同的擊穿特性和上拉特性，正反兩面擊穿電壓的對稱關系：0．9 V≤V(BR)正／V(BR)反≤1．1 V，一旦加在它兩端的干擾電壓超過拉電壓Vc，就會立即被抑制掉。

??? 圖2中V(BR)：擊穿電壓；IPP：最大反向脈沖峰值；VC(max)：最大箝位電壓；VRWM：最大反向工作電壓。
3 TVS器件在電子設備中的應用
??? 從對電子產(chǎn)品測試的可靠性和精確度，以及TVS器件的電特性兩方面考慮，TVS器件在電子設備中的使用如下：
??? 首先，保護被測電子產(chǎn)品免受浪涌的損傷，提高測試的可靠度。在產(chǎn)品通電過程中，來自外部電源的浪涌，將進入電子線路，可能將元器件損傷。TVS器件能夠抑制可能出現(xiàn)的脈沖功率的沖擊(見圖3)。當瞬時脈沖峰值電流出現(xiàn)時，TVS波擊穿，并由擊穿電壓值上升至最大拉電壓值，隨著脈沖電流呈指數(shù)下降，拉電壓也下降，恢復到原來的狀態(tài)。因此TVS管可以有效地保護電子線路。

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??? 其次，提高抗干擾能力及測試精度。當有瞬變電壓進入電子線路后，將影響電子線路的測試結(jié)果。
??? 結(jié)合使用的實際情況著重討論以下幾種TVS管的用法：
??? (1)TVS在電源浪涌抑制中的應用。據(jù)統(tǒng)計：電子系統(tǒng)生產(chǎn)100次故障中，90次來自電源，10次是電子本身，可見電源的可靠性最重要，要提高整機可靠性，首先提高電源的可靠性。對于開關電源來說，影響電源輸出的3種瞬變類型為：由負載變化引起的瞬變電壓(電感負載)；由電源線引起的瞬變電壓；由開關電源內(nèi)部發(fā)生的瞬變電壓。由于這些瞬變電壓有很大能量，可能引起開關電源的誤動作或元器件失效。所以，應該用TVS管保護開關電源中以下元器件：高反壓開關晶體管(VMOS)、高壓整流器(高壓整流二極管)、輸出整流器(輸出大電流整流二極管)、內(nèi)部控制電路(脈寬調(diào)制器)。
??? 對于直流穩(wěn)壓電源來說，在每個穩(wěn)壓源輸出端和地之間加一個TVS管，可以保護使用該電源的儀器設備，從而大幅度提高整機應用可靠性。
??? (2)TVS保護晶體管。各種瞬變電壓能使晶體管EB結(jié)或CF結(jié)擊穿而損壞，特別是晶體管集電極由電感性(線圈、變壓器、電動機)負載時，會產(chǎn)生高壓反電勢，往往使晶體管損壞。因為軍工電子產(chǎn)品大量使用晶體管，而且多為高精密電路，所以用TVS管保護晶體管，對提高產(chǎn)品抗干擾能力，防止晶體管損壞，有重要意義。
??? (3)TVS保護集成電路。由于集成電路集成越來越高，其耐壓越來越低，容易受到瞬變電壓的沖擊而損壞，必須采取保護措施。TVS管可以保護集成運放免受過大電壓或電流特別是浪涌和靜電脈沖的損傷，具有抑制電磁脈沖干擾、防止感應雷電損壞與元器件等作用。對于大量使用的精密運算放大器，其價格比較高，加入TVS保護后可以降低損壞風險，提高系統(tǒng)抗干擾能力和強度。
??? 目前，大多公司使用了較多的厚膜二次集成電路，此類型集成電路在使用過程中多有損壞現(xiàn)象發(fā)生，為此，筆者認為采用TVS管保護厚膜二次集成電路模塊，以提高其抗浪涌能力是一個亟待試驗的課題。

4 TVS管在產(chǎn)品測試中的使用情況
??? 如前所述某產(chǎn)品對高溫箱的開關很敏感，為了避免高溫箱開關對某產(chǎn)品測試的影響，進行如下試驗：
??? (1)沒有TVS管時的情況：某產(chǎn)品在零位上穩(wěn)定性測試過程中，在開關高溫箱的瞬時，由于高溫箱的電感性，產(chǎn)生瞬時脈沖電壓，直接影響到產(chǎn)品的精度測試。再多次試驗中均可以觀測到相同現(xiàn)象。
??? (2)有TVS管時的情況：給產(chǎn)品的供電電源經(jīng)檢測設備增加一個TVS管后，啟動產(chǎn)品測試程序，人為開關高溫箱，測試數(shù)據(jù)表1所示。由表中數(shù)據(jù)可以看出，測試設備增加TVS管后，輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定，無明顯異常跳變，產(chǎn)品抗干擾能力增加。

5 結(jié)語
??? TVS管是一種價錢低(1支僅1元左右)、體積小(和普通二極管相同)、使用方便的浪涌吸收器。另外，TVS管還可以防止電源反接損壞電路中的元器件。在測試過程中，存在電源接反的可能性，如果在測試設備的電源輸入端增加TVS管，當電源接反時，反向電源將流過TVS管而不進入產(chǎn)品。