TVS防護(hù)電路的應(yīng)用詳解

TVS瞬態(tài)電壓抑制二極管原理應(yīng)用特性

瞬態(tài)抑制二極管(TVS)又叫鉗位型二極管，是目前國(guó)際上普遍使用的一種高效能電路保護(hù)器件，它的外型與普通二極管相同，但卻能吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率。

它的主要特點(diǎn)是在反向應(yīng)用條件下，當(dāng)承受一個(gè)高能量的大脈沖時(shí)，其工作阻抗立即降至極低的導(dǎo)通值，從而允許大電流通過(guò)，同時(shí)把電壓鉗制在預(yù)定水平，其響應(yīng)時(shí)間僅為10-12毫秒，因此可有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件。

TVS允許的正向浪涌電流在TA=250C，T=10ms條件下，可達(dá)50～200A。 雙向TVS可在正反兩個(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈沖功率，并把電壓鉗制到預(yù)定水平， 雙向TVS適用于交流電路，單向TVS一般用于直流電路。

可用于防雷擊、防過(guò)電壓、抗干擾、吸收浪涌功率等，是一種理想的保護(hù)器件 。 耐受能力用瓦特(W)表示。

TVS(Transient Voltage Suppression)是一種限壓保護(hù)器件，作用與壓敏電阻很類(lèi)似。 也是利用器件的非線性特性將過(guò)電壓鉗位到一個(gè)較低的電壓值實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。

TVS管的主要參數(shù)有：反向擊穿電壓、最大鉗位電壓、瞬間功率、結(jié)電容、響應(yīng)時(shí)間等。

TVS的響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到ps級(jí)，是限壓型浪涌保護(hù)器件中最快的。 用于電子電路的過(guò)電壓保護(hù)時(shí)其響應(yīng)速度都可滿(mǎn)足要求。

TVS管的結(jié)電容根據(jù)制造工藝的不同，大體可分為兩種類(lèi)型，高結(jié)電容型TVS一般在幾百～幾千pF的數(shù)量級(jí)，低結(jié)電容型TVS的結(jié)電容一般在幾pF～幾十pF的數(shù)量級(jí)。

一般分立式TVS的結(jié)電容都較高，表貼式TVS管中兩種類(lèi)型都有。 在高頻信號(hào)線路的保護(hù)中，應(yīng)主要選用低結(jié)電容的TVS管。

TVS管的非線性特性比壓敏電阻好，當(dāng)通過(guò)TVS管的過(guò)電流增大時(shí)，TVS管的鉗位電壓上升速度比壓敏電阻慢，因此可以獲得比壓敏電阻更理想的殘壓輸出。 在很多需要精細(xì)保護(hù)的電子電路中，應(yīng)用TVS管是比較好的選擇。

TVS管的通流容量在限壓型浪涌保護(hù)器中是最小的，一般用于最末級(jí)的精細(xì)保護(hù)，因其通流量小，一般不用于交流電源線路的保護(hù)，直流電源的防雷電路使用TVS管時(shí)，一般還需要與壓敏電阻等通流容量大的器件配合使用。 TVS管便于集成，很適合在單板上使用。

TVS具有的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可靈活選用單向或雙向保護(hù)器件，在單極性的信號(hào)電路和直流電源電路中，選用單向TVS管，可以獲得比較低的殘壓。

TVS的反向擊穿電壓、通流容量是電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的。 在直流回路中，應(yīng)當(dāng)有：min(UBR)≥(1.3～1.6)Umax，式中UBR為直流TVS的反向擊穿電壓，Umax是直流回路中的電壓峰值。

TVS管主要可用于直流電源、信號(hào)線路、天饋線路的防雷保護(hù)。

TVS管的失效模式主要是短路。 但當(dāng)通過(guò)的過(guò)電流太大時(shí)，也可能造成TVS管被炸裂而開(kāi)路。 TVS管的使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)。

TVS二極管的應(yīng)用

目前已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通訊設(shè)備、交/直流電源、汽車(chē)、電子鎮(zhèn)流器、家用電器、儀器儀表(電度表)、RS232/422/423/485、 I/O、LAN、ISDN 、ADSL、USB、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM、數(shù)字照相機(jī)的保護(hù)、共模/差模保護(hù)、RF耦合/IC驅(qū)動(dòng)接收保護(hù)、電機(jī)電磁波干擾抑制、聲頻/視頻輸入、傳感器/ 變速器、工控回路、繼電器、接觸器噪音的抑制等各個(gè)領(lǐng)域。 TVS器件的主要電參數(shù)

(1)擊穿電壓V(BR)

器件在發(fā)生擊穿的區(qū)域內(nèi)，在規(guī)定的試驗(yàn)電流I(BR)下，測(cè)得器件兩端的電壓稱(chēng)為擊穿電壓，在此區(qū)域內(nèi)，二極管成為低阻抗的通路。

(2)最大反向脈沖峰值電流IPP

在反向工作時(shí)，在規(guī)定的脈沖條件下，器件允許通過(guò)的最大脈沖峰值電流。 IPP與最大鉗位電壓VC(MAX)的乘積，就是瞬態(tài)脈沖功率的最大值。

使用時(shí)應(yīng)正確選取TVS，使額定瞬態(tài)脈沖功率PPR大于被保護(hù)器件或線路可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率。

TVS二極管的分類(lèi)

TVS器件可以按極性分為單極性和雙極性?xún)煞N，按用途可分為各種電路都適用的通用型器件和特殊電路適用的專(zhuān)用型器件。 如：各種交流電壓保護(hù)器、 4~200mA電流環(huán)保器、數(shù)據(jù)線保護(hù)器、同軸電纜保護(hù)器、電話機(jī)保護(hù)器等。 若按封裝及內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為：軸向引線二極管、雙列直插TVS陣列(適用多線保護(hù))、貼片式、組件式和大功率模塊式等。

TVS二極管的特點(diǎn)

(1)將TVS二極管加在信號(hào)及電源線上，能防止微處理器或單片機(jī)因瞬間的肪沖，如靜電放電效應(yīng)、交流電源之浪涌及開(kāi)關(guān)電源的噪音所導(dǎo)致的失靈。

(2)靜電放電效應(yīng)能釋放超過(guò)10000V、60A以上的脈沖，并能持續(xù)10ms; 而一般的TTL器件，遇到超過(guò)30ms的10V脈沖時(shí)，便會(huì)導(dǎo)至損壞。 利用TVS二極管，可有效吸收會(huì)造成器件損壞的脈沖，并能消除由總線之間開(kāi)關(guān)所引起的干擾(Crosstalk)。

(3)將TVS二極管放置在信號(hào)線及接地間，能避免數(shù)據(jù)及控制總線受到不必要的噪音影響。

TVS的選用技巧

(1)確定被保護(hù)電路的最大直流或連續(xù)工作電壓、電路的額定標(biāo)準(zhǔn)電壓和“高端”容限。

(2)TVS額定反向關(guān)斷VWM應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的最大工作電壓。 若選用的VWM太低，器件可能進(jìn)入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。 串行連接分電壓，并行連接分電流。

(3)TVS的最大鉗位電壓VC應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓。

(4)在規(guī)定的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，TVS的最大峰值脈沖功耗PM必須大于被保護(hù)電路內(nèi)可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。 在確定了最大鉗位電壓后，其峰值脈沖電流應(yīng)大于瞬態(tài)浪涌電流。

(5)對(duì)于數(shù)據(jù)接口電路的保護(hù)，還必須注意選取具有合適電容C的TVS器件。

(6)根據(jù)用途選用TVS的極性及封裝結(jié)構(gòu)。 交流電路選用雙極性TVS較為合理; 多線保護(hù)選用TVS陣列更為有利。

(7)溫度考慮。 瞬態(tài)電壓抑制器可以在-55℃～+150℃之間工作。 如果需要TVS在一個(gè)變化的溫度工作，由于其反向漏電流ID是隨增加而增大; 功耗隨TVS結(jié)溫增加而下降，從+25℃～+175℃，大約線性下降50%雨擊穿電壓VBR隨溫度的增加按一定的系數(shù)增加。 因此，必須查閱有關(guān)產(chǎn)品資料，考慮溫度變化對(duì)其特性的影響。

處理瞬時(shí)脈沖對(duì)元件損害的最好辦法是將瞬時(shí)電流從感應(yīng)元件引開(kāi)。 TVS二極管在線路板上與被保護(hù)線路并聯(lián)，當(dāng)瞬時(shí)電壓超過(guò)電路正常工作電壓后，TVS二極管便產(chǎn)生雪崩，提供給瞬時(shí)電流一個(gè)超低電阻通路，其結(jié)果是瞬時(shí)電流透過(guò)二極管被引開(kāi)，避開(kāi)被保護(hù)元件，并且在電壓恢復(fù)正常值之前使被保護(hù)回路一直保持截止電壓。 當(dāng)瞬時(shí)脈沖結(jié)束以后，TVS二極管自動(dòng)回覆高阻狀態(tài)，整個(gè)回路進(jìn)入正常電壓。 許多元件在承受多次沖擊后，其參數(shù)及性能會(huì)產(chǎn)生退化，而只要工作在限定范圍內(nèi)，二極管將不會(huì)產(chǎn)生損壞或退化。

從以上過(guò)程可以看出，在選擇TVS二極管時(shí)，必須注意以下幾個(gè)參數(shù)的選擇：

1、最小擊穿電壓VBR和擊穿電流I R 。 VBR是TVS最小的擊穿電壓，在25℃時(shí)，低于這個(gè)電壓TVS是不會(huì)產(chǎn)生雪崩的。 當(dāng)TVS流過(guò)規(guī)定的1mA電流(IR )時(shí)，加于TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓V BR 。 按TVS的VBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度，可把VBR分為5%和10%兩種。 對(duì)于5%的VBR來(lái)說(shuō)，V WM =0.85VBR; 對(duì)于10%的VBR來(lái)說(shuō)，V WM =0.81VBR。 為了滿(mǎn)足IEC61000-4-2國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，TVS二極管必須達(dá)到可以處理最小8kV(接觸)和15kV(空氣)的ESD沖擊，部份半導(dǎo)體廠商在自己的產(chǎn)品上使用了更高的抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)。 對(duì)于某些有特殊要求的可攜設(shè)備應(yīng)用，設(shè)計(jì)者可以依需要挑選元件。

2、最大反向漏電流ID和額定反向切斷電壓VWM。 VWM是二極管在正常狀態(tài)時(shí)可承受的電壓，此電壓應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的正常工作電壓，否則二極管會(huì)不斷截止回路電壓; 但它又需要盡量與被保護(hù)回路的正常工作電壓接近，這樣才不會(huì)在TVS工作以前使整個(gè)回路面對(duì)過(guò)壓威脅。 當(dāng)這個(gè)額定反向切斷電壓VWM加于TVS的兩極間時(shí)它處于反向切斷狀態(tài)，流過(guò)它的電流應(yīng)小于或等于其最大反向漏電流ID。

3、最大鉗位電壓VC和最大峰值脈沖電流I PP 。 當(dāng)持續(xù)時(shí)間為20ms的脈沖峰值電流IPP流過(guò)TVS時(shí)，在其兩端出現(xiàn)的最大峰值電壓為VC。 V C 、IPP反映了TVS的突波抑制能力。 VC與VBR之比稱(chēng)為鉗位因子，一般在1.2~1.4之間。 VC是二極管在截止?fàn)顟B(tài)提供的電壓，也就是在ESD沖擊狀態(tài)時(shí)通過(guò)TVS的電壓，它不能大于被保護(hù)回路的可承受極限電壓，否則元件面臨被損傷的危險(xiǎn)。

4、Pppm額定脈沖功率，這是基于最大截止電壓和此時(shí)的峰值脈沖電流。 對(duì)于手持設(shè)備，一般來(lái)說(shuō)500W的TVS就足夠了。 最大峰值脈沖功耗PM是TVS能承受的最大峰值脈沖功耗值。 在特定的最大鉗位電壓下，功耗PM越大，其突波電流的承受能力越大。 在特定的功耗PM下，鉗位電壓VC越低，其突波電流的承受能力越大。 另外，峰值脈沖功耗還與脈沖波形、持續(xù)時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)。 而且，TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重覆的，元件規(guī)定的脈沖重覆頻率(持續(xù)時(shí)間與間歇時(shí)間之比)為0.01%。 如果電路內(nèi)出現(xiàn)重覆性脈沖，應(yīng)考慮脈沖功率的累積，有可能損壞TVS。

5、電容器量C。 電容器量C是由TVS雪崩結(jié)截面決定的，是在特定的1MHz頻率下測(cè)得的。 C的大小與TVS的電流承受能力成正比，C太大將使訊號(hào)衰減。 因此，C是數(shù)據(jù)介面電路選用TVS的重要參數(shù)。 電容器對(duì)于數(shù)據(jù)/訊號(hào)頻率越高的回路，二極管的電容器對(duì)電路的干擾越大，形成噪音或衰減訊號(hào)強(qiáng)度，因此需要根據(jù)回路的特性來(lái)決定所選元件的電容器范圍。 高頻回路一般選擇電容器應(yīng)盡量小(如LCTVS、低電容器TVS，電容器不大于3pF)，而對(duì)電容器要求不高的回路電容器選擇可高于40pF。

TVS二極管特性曲線：

直流電源防護(hù)設(shè)計(jì)

室外網(wǎng)口防護(hù)電路

注意，TVS管的寄生電容可能影響信號(hào)完整性，可以使用壓敏電阻放在變壓器抽頭，作為防護(hù)電路，支持更高速率的網(wǎng)口設(shè)計(jì)。

232防護(hù)電路設(shè)計(jì)

485防護(hù)電路設(shè)計(jì)

審核編輯：湯梓紅