原创 不要小瞧TVS管哦,否则要吃大亏

2021-5-6 22:57 2386 26 5 分类: MCU/ 嵌入式

摘要:TVS管是常用的保护器件,但在平时正常环境的测试中,并不能明显地感觉到它的存在,好像有没有TVS管,都一个样。TVS管表示很委屈。TVS管本身就是为了在意外情况(比如瞬间高压串扰)保护电路的,既然是意外,就不会一直存在,平时当然就缺乏存在感了。但在实际应用,尤其是工业应用中,没有它是不行的,分享一个实际项目经历,感受一下TVS管的作用。

关键词:CAN总线 TVS 防雷管 抗干扰

1.缘起

这个故事要从刚参加工作的时候说起。一个前辈设计的一个具有CAN总线接口的传感器,说是在现场使用中出现了总线通信中断的问题,派孔丙火(微信公众号:孔丙火)过去排查一下问题。我们的产品是应用工业现场的,属于特殊行业。到现场后,发现是CAN收发器芯片损坏了,收发器用的是PCA82C250,更换了一个便好了,因此,首先认为是器件的问题,没有多想。虽然问题解决了,但应客户的要求,要观察两天,于是就继续待在现场观察一下。

隔了一天,客户又反映通信中断了,查看了一下,又是CAN收发器芯片损坏了,为了查清问题,直接换了一块新的板子让用户先用,把出问题的板子从传感器中拿了出来进行测试。测试发现,在CAN总线接口部分,除了PCA82C250损坏了,其它器件都是正常的。在当时看来,孔丙火(微信公众号:孔丙火)认为,芯片损坏主要有两种可能:一是芯片本身质量问题,二是有干扰导致芯片损坏。但已经连续损坏了两次,如果是芯片质量问题,不同批次的两个芯片都有质量问题的概率太低了,于是重点看接口保护部分是否有问题。

2.问题查找

当时也是持怀疑的态度,因为公司所有产品的CAN接口电路都是一样的,如果有问题,早就应该暴露了啊。细看了一下,发现之前CAN接口上都是用的6.5V的双向TVS管,但这个板子上用的是一个防雷管,好像发现了端倪。这里说明一下,传感器是用在特殊行业的,由于没有接地线,因此CAN总线的两根线并没有通过高压电容导向大地,只是简单地采用3TVS管进行了保护,如图1所示。


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图中的3TVS管,现场的板子上焊接的是防雷管,动作电压在200V左右。孔丙火(微信公众号:孔丙火)把有问题的板子的防雷管重新换成了6.5VTVS管,然后重新放回现场使用,没有再出现问题。

TVS管是瞬态二极管(Transient Voltage Suppressor)的简称。TVS是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管的两端受到反向瞬态高能量冲击时,它能以10的负12次方秒量级的速度,将其两极间的高阻抗变为低阻抗,吸收高达数千瓦的浪涌功率,使两极间的电压箝位于一个预定值,有效地保护电子线路中的精密元器件,免受各种浪涌脉冲的损坏。由于它具有响应速度快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点,广泛应用在现场总线设备中。图1中使用的是双向TVS管,可以实现双向保护。

TVS管的保护能力是比较强的,可以吸收比较高的能量。但一般情况下,不能承受持续的重复冲击,不应超过0.01%(冲击脉冲持续时间与间歇时间之比),超过的话,容易造成TVS管损坏。当瞬时脉冲结束后,TVS管自动恢复到高阻状态,整个电路恢复正常工作。

3.分析(要重视TVS

首先,直观感受,孔丙火(微信公众号:孔丙火)认为,在这个特定的应用场景中,TVS管是必须的,没有它,设备容易损坏,所以TVS管是很重要的哦。

其次,至于前辈为什么使用防雷管,后来我跟他交流的时候得知,在之前的一个工业现场,也出现了CAN收发器芯片损坏的情况,当时的干扰电压比较高,通过加防雷管的方法解决了问题。在后来的设备生产中,忘记了把bom恢复成TVS管。这是问题产生的原因。

第三,在一般的通信接口设计中,会加TVS管进行抗干扰保护,在实验室测试中,好像感觉并没有什么用,但真正在工业环境下使用,TVS管是可以起到保护器件的作用的,不然其他元器件容易损坏,是要吃大亏的。

第四,抗干扰设计是一门大学问,本文仅仅是通过一个简单的例子,来说明TVS管的重要性,在实际的设计中,未必都是用TVS管保护的,也可以有更好的方式,这不是本文讨论的重点,也欢迎大家讨论交流。 

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