浪涌防護(hù)，浪涌抑制器與TVS

在關(guān)注半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性和可靠性時，我們總會說到ESD和浪涌。浪涌包括浪涌電壓和浪涌電流，是一種上升速度極快，持續(xù)時間很短的尖峰脈沖，能夠在瞬間超出器件穩(wěn)定值的峰值。

任何一個供電系統(tǒng)中，浪涌的來源都分為外部和內(nèi)部。外部原因諸如惡劣天氣的雷暴影響，內(nèi)部原因則多種多樣，可能是器件負(fù)載的瞬態(tài)變化，多數(shù)情況下有害的浪涌電壓都會來自ESD。不管哪一種原因，電器器件在工作過程中遭遇這種浪涌和電壓瞬變，都可能造成器件損壞。如何選擇合適的電路保護(hù)？這是電路設(shè)計中常出現(xiàn)的問題。有源電路通常采用TVS二極管和保險絲。而現(xiàn)在作為取代TVS二極管和保險絲的浪涌抑制器，也開始受到了設(shè)計人員的青睞。

對抗電壓瞬變和浪涌的措施

從整個系統(tǒng)的防護(hù)措施來說，整機(jī)和系統(tǒng)接地是很有必要的，每個子系統(tǒng)也應(yīng)該有獨立的公共端，在子系統(tǒng)之間需要傳輸數(shù)據(jù)或者信號時，接地線必須能支持很大的電流，這是其一。在整機(jī)和系統(tǒng)中的關(guān)鍵部位，可以通過采用電壓瞬變和浪涌防護(hù)器件來進(jìn)行防護(hù)。這是我們今天重點關(guān)注的器件。

傳統(tǒng)的可靠保護(hù)解決方案，像二極管、保險絲和TVS器件這些雖然能夠保持待保護(hù)狀態(tài)，但通常較為低效、而且體積龐大。應(yīng)運而生的浪涌抑制器能夠達(dá)到傳統(tǒng)方法的保護(hù)要求，而且從有些方面來看，它們更加可靠。對于極其重要的系統(tǒng)，我們還可以使用多個電壓瞬變和浪涌防護(hù)器件的組合以構(gòu)成多級防護(hù)電路確保萬無一失。譬如在成本高昂的FPGA和處理器上，電子器件的使用數(shù)量不斷增加要求對這些運行的器件提供嚴(yán)苛的保護(hù)。不僅如此，還需要保護(hù)器件體積小巧、可靠性高，能夠快速響應(yīng)過壓和過流浪涌事件。

防護(hù)方法各有優(yōu)劣

傳統(tǒng)的輸入防護(hù)包括TVS二極管、保險絲、電感電容等方式，TVS是利用二極管的雪崩擊穿特性來實現(xiàn)防護(hù)。TVS可以可以保護(hù)下游電路不受電源上的高壓尖峰影響，是浪涌保護(hù)里很流行的選擇，一來它并不復(fù)雜，二則是成本很低，能完成短時間內(nèi)分流高電流浪涌的任務(wù)。雖然TVS器件在抑制極高電壓偏移方面很有效，但在遭受持續(xù)過壓時，也不能避免損壞。另一個擔(dān)心是TVS可能短路，導(dǎo)致輸入電源斷開。和YVS相關(guān)的參數(shù)，Stand-off電壓、鉗位電壓、功率這些和溫度、電壓、脈沖這些因素都息息相關(guān)，總的來看因為其擊穿點離散性偏大，擊穿特性不陡，應(yīng)用上仍會受到一些限制，而且其較大的封裝也是常為人詬病的地方。而機(jī)械保險絲的反應(yīng)速度已經(jīng)跟不上需求，而且有比較大的器件容差，在防護(hù)上已處于下風(fēng)。電子保險絲精度可以做到不錯，但是分立方案較為復(fù)雜。

（TVS，TI）

這么看來，采用MOS管似乎是一種更好的輸入防護(hù)措施，浪涌抑制器采用易于使用的控制器IC和串聯(lián)N通道MOSFET，因此無需使用繁雜的分流電路?？梢猿浞掷肕OS管的線性區(qū)來鉗位尖峰，利用可變電阻區(qū)來抑制電流，從而降低功率。

浪涌抑制器有什么門道？

根據(jù)對過壓事件的響應(yīng)，可以將浪涌抑制器分為三大類，線性浪涌抑制器、柵極箝位、開關(guān)浪涌抑制器。線性浪涌抑制器與線性穩(wěn)壓器驅(qū)動MOSFET的方式類似，需要對MOSFET實行保護(hù)限制其在高耗散區(qū)的時間。這往往采用電容故障定時器來實現(xiàn)，定時器電壓的變化率隨通過MOSFET的電壓而變化，保證器件在過壓期間平穩(wěn)度過避免損壞。

（線性浪涌抑制器，ADI）

柵極箝位浪涌抑制器利用內(nèi)部或外部箝位對柵極引腳的電壓進(jìn)行限制，再由MOSFET決定輸出電壓。外部柵極箝位會允許更廣泛的電壓選擇范圍。開關(guān)浪涌抑制器與前述二者有一些很明顯的區(qū)別，在浪涌事件中，開關(guān)浪涌抑制器是通過開關(guān)外部MOSFET將輸出調(diào)節(jié)到箝位電壓。因此，開關(guān)浪涌抑制器更適合于一些更高功率的應(yīng)用。

這種基于IC的有源浪涌抑制器相比TVS二極管無需繁復(fù)的設(shè)計，也不需要大尺寸的電感電容。整體來看這種防護(hù)措施需要的空間會更小巧，其輸出電壓箝位精度普遍高出了1%至2%，給下游器件的選擇更大的空間。

小結(jié)

有很多不同原因會引發(fā)電子系統(tǒng)中出現(xiàn)浪涌，必須采用靈活可靠的保護(hù)機(jī)制來確保下游成本高昂的電子器件的使用壽命。不管是傳統(tǒng)的防護(hù)措施還是浪涌抑制器，選擇防護(hù)時要考慮到預(yù)期的電源電壓和下游電子器件的電壓容限，充分了解系統(tǒng)防護(hù)要求才是做好浪涌防護(hù)的前提。