TVS瞬態(tài)干擾抑制器

瞬態(tài)干擾
瞬態(tài)干擾指交流電網(wǎng)上出現(xiàn)的浪涌電壓、振鈴電壓、火花放電等瞬間干擾信號(hào),其特點(diǎn)是作用時(shí)間極短,但電壓幅度高、瞬態(tài)能量大。瞬態(tài)干擾會(huì)造成控制系統(tǒng)的電源電壓的波動(dòng);當(dāng)瞬態(tài)電壓疊加在控制系統(tǒng)的輸入電壓上,使輸入控制系統(tǒng)的電壓超過系統(tǒng)內(nèi)部器件的極限電壓時(shí),便會(huì)損壞控制系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)備,因此必須采用抑制措施。


硅瞬變吸收二極管TVS（TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR）硅瞬變吸收二極管的工作有點(diǎn)象普通的穩(wěn)壓管,是箝位型的干擾吸收器件;其應(yīng)用是與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)使用。硅瞬變電壓吸收二極管具有極快的響應(yīng)時(shí)間(亞納秒級(jí))和相當(dāng)高的浪涌吸收能力,及極多的電壓檔次。可用于保護(hù)設(shè)備或電路免受靜電、電感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變電壓,以及感應(yīng)雷所產(chǎn)生的過電壓。 TVS管有單方向(單個(gè)二極管)和雙方向(兩個(gè)背對(duì)背連接的二極管)兩種,它們的主要參數(shù)是擊穿電壓、漏電流和電容。使用中TVS管的擊穿電壓要比被保護(hù)電路工作電壓高10％左右,以防止因線路工作電壓接近TVS擊穿電壓,使TVS漏電流影響電路正常工作;也避免因環(huán)境溫度變化導(dǎo)致TVS管擊穿電壓落入線路正常工作電壓的范圍。 TVS管有多種封裝形式,如軸向引線產(chǎn)品可用在電源饋線上;雙列直插的和表面貼裝的適合于在印刷板上作為邏輯電路、I/O總線及數(shù)據(jù)總線的保護(hù)。


TVS的特性
TVS的電路符號(hào)和普通的穩(wěn)壓管相同。其電壓-電流特性曲線如圖1所示。其正向特性與普通二極管相同,反向特性為典型的PN結(jié)雪崩器件。圖2是TVS的電流-時(shí)間和電壓-時(shí)間曲線。在浪涌電壓的作用下,TVS兩極間的電壓由額定反向關(guān)斷電壓VWM上升到擊穿電壓VBR,而被擊穿。隨著擊穿電流的出現(xiàn),流過TVS的電流將達(dá)到峰值脈沖電流IPP,同時(shí)在其兩端的電壓被箝位到預(yù)定的最大箝位電壓VC以下。其后,隨著脈沖電流按指數(shù)衰減,TVS兩極間的電壓也不斷下降,最后恢復(fù)到初態(tài),這就是TVS抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖功率,保護(hù)電子元器件的過程。當(dāng)TVS兩極受到反向高能量沖擊時(shí),它能以10~12s級(jí)的速度,將其兩極間的阻抗由高變低,吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率,使兩極間的電位箝位于預(yù)定值,有效地保護(hù)電子設(shè)備中的元器件免受浪涌脈沖的損害。TVS具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓容易控制、體積小等優(yōu)點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用于家用電器、電子儀表、通訊設(shè)備、電源、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域。?

TVS的特性曲線


TVS的特性及參數(shù)

幾種典型波型的K值

?TVS的分類TVS器件按極性可分為單極性和雙極性兩種;按用途可分為通用型和專用型;按封裝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為：軸向引線二極管、雙列直插TVS陣列、貼片式和大功率模塊等。軸向引線的產(chǎn)品峰值功率可以達(dá)到400W、500W、600W、1500W和5000W。其中大功率的產(chǎn)品主要用在電源饋線上,低功率產(chǎn)品主要用在高密度安裝的場(chǎng)合。對(duì)于高密度安裝的場(chǎng)合還可以選擇雙列直插和表面貼裝的封裝形式。


TVS的選用1.確定待保護(hù)電路的直流電壓或持續(xù)工作電壓。如果是交流電，應(yīng)計(jì)算出最大值，即用有效值*1.414。
?2.TVS的反向變位電壓即工作電壓（VRWM）--選擇TVS的VRWM等于或大于上述步驟1所規(guī)定的操作電壓。這就保證了在正常工作條件下TVS吸收的電流可忽略不計(jì),如果步驟1所規(guī)定的電壓高于TVS的VRWM ,TVS將吸收大量的漏電流而處于雪崩擊穿狀態(tài)，從而影響電路的工作。
3.最大峰值脈沖功率：確定電路的干擾脈沖情況,根據(jù)干擾脈沖的波形、脈沖持續(xù)時(shí)間,確定能夠有效抑制該干擾的TVS峰值脈沖功率。
4.所選TVS的最大箝位電壓（VC）應(yīng)低于被保護(hù)電路所允許的最大承受電壓。
5.單極性還是雙極性-常常會(huì)出現(xiàn)這樣的誤解即雙向TVS用來抑制反向浪涌脈沖，其實(shí)并非如此。雙向TVS用于交流電或來自正負(fù)雙向脈沖的場(chǎng)合。TVS有時(shí)也用于減少電容。如果電路只有正向電平信號(hào)，那麼單向TVS就足夠了。TVS操作方式如下：正向浪涌時(shí),TVS處于反向雪崩擊穿狀態(tài)；反向浪涌時(shí)，TVS類似正向偏置二極管一樣導(dǎo)通并吸收浪涌能量。在低電容電路里情況就不是這樣了。應(yīng)選用雙向TVS以保護(hù)電路中的低電容器件免受反向浪涌的損害。
6.如果知道比較準(zhǔn)確的浪涌電流IPP，那么可以利用VC來確定其功率，如果無法確定功率的概范圍，一般來說，選擇功率大一些比較好。
7.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。
8.其他需注意事項(xiàng)
---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。
---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)變化的溫度下工作,由于其反向漏電流ID是隨溫度增加而增大;功耗隨TVS結(jié)溫增加而下降,從＋25℃到＋175℃,大約線性下降50％;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。
TVS管在使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)
---對(duì)瞬變電壓的吸收功率(峰值)與瞬變電壓脈沖寬度間的關(guān)系。手冊(cè)給的只是特定脈寬下的吸收功率(峰值),而實(shí)際線路中的脈沖寬度則變化莫測(cè),事前要有估計(jì)。對(duì)寬脈沖應(yīng)降額使用。
---對(duì)小電流負(fù)載的保護(hù),可有意識(shí)地在線路中增加限流電阻,只要限流電阻的阻值適當(dāng),不會(huì)影響線路的正常工作,但限流電阻對(duì)干擾所產(chǎn)生的電流卻會(huì)大大減小。這就有可能選用峰值功率較小的TVS管來對(duì)小電流負(fù)載線路進(jìn)行保護(hù).
---對(duì)重復(fù)出現(xiàn)的瞬變電壓的抑制,尤其值得注意的是TVS管的穩(wěn)態(tài)平均功率是否在安全范圍之內(nèi)。
---降額使用
作為半導(dǎo)體器件的TVS管,要注意環(huán)境溫度升高時(shí)的降額使用問題。特別要注意TVS管的引線長(zhǎng)短,以及它與被保護(hù)線路的相對(duì)距離。當(dāng)沒有合適電壓的TVS管供采用時(shí),允許用多個(gè)TVS管串聯(lián)使用。串聯(lián)管的最大電流決定于所采用管中電流吸收能力最小的一個(gè)。而峰值吸收功率等于這個(gè)電流與串聯(lián)管電壓之和的乘積。
---TVS管的結(jié)電容是影響它在高速線路中使用的關(guān)鍵因素,在這種情況下,一般用一個(gè)TVS管與一個(gè)快恢復(fù)二極管以背對(duì)背的方式連接,由于快恢復(fù)二極管有較小的結(jié)電容,因而二者串聯(lián)的等效電容也較小,可滿足高頻使用的要求。


TVS在電路中的應(yīng)用

1.TVS用于交流電路
圖2-1是一個(gè)雙向TVS在交流電路中的應(yīng)用，可以有效地抑制電網(wǎng)帶來的過載脈沖，從而起到保護(hù)整流橋及負(fù)載中所有元器件的作用。TVS的箝位電壓不大于電路的最大允許電壓。
圖2-2所示是用單向TVS并聯(lián)于整流管旁側(cè)，以保護(hù)整流管不被瞬時(shí)脈沖擊穿，選用TVS必須是和整流管相匹配。
圖2-3所示電路中，單向TVS1和TVS2反接并聯(lián)于電源變壓器輸出端或選用一個(gè)雙向TVS，用以保護(hù)整流電路及負(fù)載中的元器件。TVS3保護(hù)整流以后的線路元件，如電源變壓器輸出端電壓為36伏時(shí)一般TVS1和TVS2的工作電壓VR應(yīng)根據(jù)36×√2 來選擇，其它參數(shù)依據(jù)電路中的具體條件而下。

TVS在電路應(yīng)用中的典型例子

交流電路應(yīng)用舉例：
????? 直流線路采用單向瞬變電壓抑制二極管，交流則必須采用雙向瞬變電壓抑制二極管。交流是電網(wǎng)電壓，這里產(chǎn)生的瞬變電壓是隨機(jī)的，有時(shí)還遇到雷擊（雷電感應(yīng)產(chǎn)生的瞬變電壓）所以很難定量估算出瞬時(shí)脈沖功率PPR。但是對(duì)最大反向工作電壓必須有正確的選取。一般原則是交流電壓乘1.4倍來選取TVS管的最大反向工作電壓。直流電壓則按1.1—1.2倍來選取TVS管的最大反向工作電壓VRWM。

微機(jī)電源采用TVS作線路保護(hù)的原理圖

如上圖給出了一個(gè)微機(jī)電源采用TVS作線路保護(hù)的原理圖，由圖可見：

1. ?在進(jìn)線的220V~處加TVS管抑制220V~交流電網(wǎng)中尖峰干擾。
2. ?在變壓器進(jìn)線加上干擾濾波器，濾除小尖峰干擾。
3. ?在變壓輸出端V~=20V處又加上TVS管，再一次抑制干擾。
4. ?到了直流10V輸出時(shí)還加上TVS管抑制干擾。

其中：雙向TVS管D1的VRWM=220V~×1.4=308V左右??
雙向TVS管D2的VRWM=20V~×1.4=28V左右??
單向TVS管D3的VRWM=10V~×1.2=12V左右
?
????? 經(jīng)過如上四次抑制，變成所謂的“凈化電源”，還可以加上其它措施，更有效地抑制干擾，防止干擾進(jìn)入計(jì)算機(jī)的CPU及存貯器中，從而提高微機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用可靠性。?

2.TVS用于直流電路：圖2-4所示TVS并聯(lián)于輸出端，可有效地保護(hù)控制系統(tǒng)。TVS的反向工作電壓應(yīng)等于或略高于直流供電電壓，其它參數(shù)根據(jù)電路的具體條件而定。
圖2-5所示為兩個(gè)單向TVS連接在電源線路中，用以防止直流電源反接或電源通、斷時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)脈沖使集成電路損壞。當(dāng)電路連接有感性負(fù)載，如電機(jī)、斷電器線圈、螺線管時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的瞬時(shí)脈沖電壓，
圖2-6中的TVS可以保護(hù)晶體管及邏輯電路，從而省去了較復(fù)雜的電阻/電容保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。
圖2-7電路中TVS起保護(hù)和電壓限制的作用。

TVS用于直流電路-1

TVS用于直流電路-2

直流電中選用舉例：
整機(jī)直流工作電壓12V，最大允許安全電壓25V（峰值），浪涌源的阻抗50MΩ，其干擾波形為方波，TP=1MS ，最大峰值電流50A。?選擇：
1、先從工作電壓12V選取最大反向工作電壓VRWM為13V，則擊穿電壓V(BR)=VRWM/0.85=15.3V???

2、從擊穿電壓值選取最大箝位電壓Vc(MAX)=1.30×V(BR)=19.89V，取?Vc=20V

3、再從箝位電壓VC和最在峰值電流IP計(jì)算出方波脈沖功率： PPR=VC×IP=20×50=1000W??

4、計(jì)算折合為TP=1MS指數(shù)波的峰值功率，折合系數(shù)K1=1.4，
?
PPR=1000W÷1.4=715W

從手冊(cè)中可查到1N6147A其中PPR=1500W，變位電壓VRWM=12.2V，擊穿電壓V(BR)=15.2V，最大箝位電壓Vc=22.3V，最大浪涌電流IP=67.3A?？蓾M足上述設(shè)計(jì)要求，而且留有一倍的余量，不論方波還是指數(shù)波都適用。

日益嚴(yán)厲的認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)與日益降低的產(chǎn)品成本要求每一個(gè)研發(fā)人員對(duì)自己負(fù)責(zé)的產(chǎn)品有著寬裕的解決方案.TVS是個(gè)不錯(cuò)的選擇.但根據(jù)冒冒自己的經(jīng)驗(yàn):TVS并不能完全改善PCB孱弱的體質(zhì),特別在ESD方面的抑制能力.總而言之:有一個(gè)好的電子設(shè)計(jì)工程師加上一個(gè)出色的Layout工程師,你用到TVS的機(jī)會(huì)就很少了。