一、前言
在我们日常的芯片应用场景中经常会对芯片造成损毁,所以我们就需要增加电压瞬变危害保护电路,在常规的应用中我们使用的多是TVS管来保护,因此我们在电路设计中就需要了解TVS的选型问题。
二、分析及保护原理
首先确定这个芯片IO口能够接受的电压,下面以防护DS90CR285为例子:
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按照上图看我们选型的TVS钳位电压都需要低于3.3+0.3V才好,也就是最好钳位低于4V,那么依照这个标准再去选型,这里因为芯片是一个COMS门,最好选用一个3.3V的TVS,常规经验来说最好选用一个钳位电压大约等于芯片电源的,有的不一样,比如有的的串口芯片内部有电荷泵可能就会更大。
保护原理:TVS的基本构造也是二极管式,都是利用反向击穿后然后钳压来进行保护电路,但是TVS的响应速度要比一般的二极管快,所以能够快速影响对电路起到保护作用,瞬态二极管收到一个高能量脉冲时(一般是浪涌电流或者由电流转化的高瞬时电压)能够快速转化为低组态,吸收较大的电流,然后将电流导入地路,因此可以瞬间吸收高达数千瓦的浪涌功率,因此可以高效的对电路起到保护作用。所以TVS在使用时能够防雷击,抗过压,抗浪涌等作用,然后被广泛应用于电路设计,TVS管的电气特性图如下:
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三、选型参数
具体的TVS管子的选型参数如下图所示,那么我们就要根据这个选项来决定用什么管子:
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Vrwm(最大反向工作电压):该指标即为TVS管开始正常工作的电压(开始朝着小阻态吸电流钳电压状态走的前期,但是此时的电阻还是比较大电压可以拉住),所以在选择时这个值一定要略大约保护端口的工作电压,不能芯片一工作就被保护起来了,这样没法玩。
Vbr(反向击穿电压):这个是管子被击穿雪崩的临界状态值(测试电流为1MA),管子接受到这个状态的电压时开始进入临界雪崩,正式进入低阻态洗电流钳电压的状态,这个值会完全使管子保护起来电路。
Vcl(最大钳位电压):该指标是我们选型的时候的重要指标,最大钳位电压一定要小于或者等于我们这个芯片端口能够接受的最大电压(不大于承受电压),或者一般近似等于供电电压,如果保护的是交流电注意需要计算出最大值,这个根据上图来看测试时是加1A电流(此时是也需要提出秩序时间,在PCB试验时测试都需要考虑瞬时还是稳态工作)
Ipp(脉冲的最大峰值电流):防止浪涌的最有效参数为Ipp,所以在选型时需要考虑最大脉冲通过时的瞬时最大电流,如果没有看到最大峰值电流需要靠功率去计算下,这个值一般为钳位电压下的最大值电流。
Ir@Vrwm最大漏电电流:这个指标因为有@显然是依赖最大反向工作电压出现的,表示在TVS反向击穿工作时的漏电电流,这个漏电电流越小越好
典型电容(极间电容值):这个指的是如果应用在高速信号场合我们需要选择典型电容值小的,常规类型为高速信号选1pf左右的,低速信号选10pf左右。
四、ESD指标考虑事项:
一般来说你问厂家后厂家都会问你是空气放电标准试验还是接触放电标准试验,下面说下这两个:
空气放电试验:将电荷集中到枪头顶端,保持靠近测试物体,击穿空气以后的典型电压值,这个目前是15KV居多,但是比较好的TVS都坐到了30KV
接触放电试验:电荷集中到枪头顶端后将其接触到测试产品附近的螺丝或者接插件或者引脚上,然后损毁的典型值,好一点的TVS接触也是30KV
五、使用时注意事项:
1、并联在需要保护的电路中
2、可以放在差分信号间
3、放置时靠近需要保护的器件
4、选用钳位电压和芯片电压相近的TVS进行保护
5、单向还是双向的选择,单向的一般使用与直流耦合信号,双向的使用于交流耦合信号,或者差分信号双向脉冲场合
6、接在信号和地之间防护共模信号,接在两个差分信号之间防护差模信号