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标题: TVS及其在电路设计详解 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-12 20:34
标题: TVS及其在电路设计详解
瞬态电压抑制器是一种二极管形式的高效能保护器件，具有极快的响应时间和相当高的浪涌吸收能力。当TVS的两端受到反向瞬态过压脉冲时，能以极高的速度把两端间的高阻抗变为低阻抗，以吸收瞬间大电流，并将电压箝制在预定数值，从而有效保护电路中的元器件免受损坏。本文讲述了TVS器件的主要特性参数和选用注意事项，同时给出了TVS在电路设计中的应用方法。
　　1 TVS器件的特性及主要参数
　　1.1 TVS的器件特性
　　在规定的反向应用条件下，TVS对受保护的线路呈高阻抗状态。当瞬间电压超过其击穿电压时，TVS就会提供一个低阻抗的路径，并通过大电流方式使流向被保护元器件的瞬间电流分流到TVS二极管，同时将受保护元器件两端的电压限制在TVS的箝制电压。当过压条件消失后，TVS又恢复到高阻抗状态。与陶瓷电容相比，TVS可以承受15 kV的电压，但陶瓷电容对高压的承受能力比较弱。5 kV的冲击就会造成约10％陶瓷电容失效，而到10 kV时，其损坏率将高达到60％。
　　1.2 TVS器件的主要参数
　　（1）最小击穿电压VBR
　　当TVS流过规定的电流时，TVS两端的电压称为最小击穿电压，在此区域，TVS呈低阻抗的通路。在25℃时，低于这个电压，TVS是不会发生雪崩击穿的。
　　（2）额定反向关断电压VWM
　　VWM是TVS在正常状态时可承受的电压，此电压应大于或等于被保护电路的正常工作电压。但它又需要尽量与被保护电路的正常工作电压接近，这样才不会在TVS工作以前使整个电路面对过压威胁。按TVS的VBR与标准值的离散度，可把VBR分为5％和10％两种，对于5％的VBR来说，VWM=0.85VBR腿；而对于10％的VBR来说，VWM=0.81VBR。
　　（3）最大峰值脉冲电流IPP
　　Ipp是TVS在反向状态工作时，在规定的脉冲条件下，器件允许通过的最大脉冲峰值电流。
　　（4）箝位电压Vc
　　当脉冲峰值电流Ipp流过TVS时，其两端出现的最大电压值称为箝位电压Vc。Vc和Ipp反映了TVS的浪涌抑制能力。通常把Vc与VBR之比称为箝位因子（系数），其值一般在1.2～1.4之间。实际使用时，应使Vc不大于被保护电路的最大允许安全电压，否则被保护器件将面临被损坏的可能。
　　（5）最大峰值脉冲功耗PM
　　PM通常是最大峰值脉冲电流Ipp与箝位电压Vc的乘积，也就是最大峰值脉冲功耗。它是TVS能承受的最大峰值脉冲功耗值。在给定的最大钳位电压下，功耗PM越大，其浪涌电流的承受能力越大。另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、脉冲持续时间和环境温度有关。而且，TVS所能承受的瞬态脉冲是不可重复施加的。
　　（6）电容量C
　　TVS的电容是由其硅片的截面积和偏置电压来决定的，它是在1 MHz特定频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比，C太大，将使信号衰减。因此，电容C是数据接口电路选用TVS的重要参数。
　　（7）漏电流IR
　　IR是最大反向工作电压施加到TVS上时，TVS管的漏电流。当TVS用于高阻抗电路时，这个漏电流IR一个重要参数。

2选用TVS的注意事项
　　在选用TVS时，根据电路的具体情况，一般应考虑以下几个主要因素：
　　首先，由于双向TVS可以在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率，并把电压箝制到预定水平。因此，若电路有可能承受来自两个方向的浪涌电压冲击时，应当选用双向TVS。双向TVS一般适用于交流电路，单向TVS一般用于直流电路。另外，箝位电压Vc不大于被保护电路的最大允许安全电压。
　　其次，就是最大峰值脉冲功耗PM必须大于电路中出现的最大瞬态浪涌功率。但是，在实际应用过程中，浪涌有可能重复地出现，在这种情况下，即使单个的脉冲能量比TVS器件可承受的脉冲能量要小得多，但是，如果重复施加，这些单个的脉冲能量积累起来，也可能在某些情况下超过TVS器件所能承受的脉冲能量。因此，在电路设计时，必须在这点上认真考虑并选用合适的TVS器件，以使其在规定的间隔时间内，重复施加脉冲能量的累积不至于超过TVS器件的脉冲能量额定值。
　　第三，在实际应用过程中，对最大反向工作电压必须有正确的选取，一般原则是以交流电压的1.4倍来选取TVS管的最大反向工作电压。直流电压则按1.1～1.2倍来选取TVS管的最高反向工作电压。
　　3 TVS在电路设计中的典型应用
　　在实际的应用电路中，处理瞬时脉冲对器件损害的最好办法，就是将瞬时电流从敏感器件引开。为达到这一目的，将TVS在线路板上与被保护线路并联。这样，当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TNS将发生雪崩击穿，从而提供给瞬时电流一个超低阻抗的通路，其结果是瞬时电流通过TVS被引开，从而避开被保护器件，并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。在此之后，当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管再自动恢复至高阻状态，整个回路进入正常电压状态。以下是TVS在电路应用中的几个典型实例。
　　3.1 TVS在交流电路中的应用
　　图1所示是一个双向TVS在交流电路中的应用电路。应用TVS可以有效地抑制电网带来的过载脉冲，从而起到保护整流桥及负载中所有元器件的作用。图1中的TVS箝位电压应不大于电路的最大允许电压。

　　3.2用TVS保护直流稳压电源
　　图2是一个直流稳压电源，在其稳压输出端加上TVS，可以保护使用该电源的仪器设备，同时还可以吸收电路中晶体管的集电极到发射极间的峰值电压，从而保护晶体管。建议在每个稳压源的输出端增加一个TVS管，这样可以大幅度地提高整机的可靠性。

　　3.3用TVS保护晶体管电路
　　各种瞬变电压能使晶体管的EB结或CE结击穿而损坏，特别是晶体管集电极有感性（线圈、变压器、电动机）负载时，通常会产生高压反电势，因而可能使晶体管损坏。在实际应用中，建议采用TVS作为保护器件。图3所示为TVS保护晶体管的四种电路实例。

3.4集成电路的保护
　　由于现代IC的集成度越来越高，而其耐压则越来越低，因而很容易受到瞬变电压的冲击而损坏，故须采取保护措施。通常在CMOS电路的输入端及输出端都有保护网路，为了可靠起见，在各整机对外接口处也增加了各种保护网络。图4给出了用TVS对TTL及CMOS器件进行保护的有关电路措施。

　　3.5用TVS保护集成运放
　　集成运放对外界电应力非常敏感。因此，在使用运放的过程中，如果因操作失误或采取了不正常的工作条件，往往会出现过大的电压或电流，特别是浪涌和静电脉冲，从而很容易使运放受损或失效。图5所示是用TVS在运放差模输入端防止过压损伤的保护电路。

　　4结束语
　　本文主要讲述了TVS器件的特性和主要参数，以及选用器件时的注意事项，同时给出了器件在电路设计中的典型应用电路，以便加深电路设计人员对TVS的认识，为设计出高可靠性的应用电路提供基础。虽然目前的TVS在国内的应用正处于推广阶段，但我们有理由相信，随着越来越多的设计者对TVS的认识不断加深以及TVS所表现出来的优异性能，TVS器件最终将获得极为广泛的应用。

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