TVS器件的特性及应用作详细分析
eeskill 2022-09-22

电网中的工频过电压、谐振过电压及瞬态过电压,包括操作过电压和雷电过电压,这些危险浪涌能量无法泻放或吸收,而侵入电气设备内部电路,就能影响电子设备的正常工作,甚至会烧毁电路;而集成数字电路容易受ESD/EFT(静电放电/电快速瞬变脉冲群)等浪涌电压干扰,可能会造成工作异常、死机,甚至损坏并引发其他的安全问题。利用TVS器件对电路进行精细保护,可有效地使电子线路中的精密元器件免受各种浪涌脉冲的损坏。本文对TVS器件的特性及应用作详细分析与研究有重要意义。

1 TVS 的结构及分类

TVS 瞬态电压抑制器是在稳压二极管的基础上发展而来的,是一种二极管形式的新型高效能保护器件。

TVS通常采用二极管式的轴向引线封装结构,TVS的核心单元是芯片,芯片主要材料为半导体硅片或晒片,芯片有单极型和双极型两种结构,单极型TVS有一个PN结,双极型TVS有两个PN结。TVS芯片的PN结经玻璃纯化保护由引线引出,再经改性环氧树脂封装制成。

TVS瞬态电压抑制器有单极性与双极性之分,单极性只对一个方向的浪涌电压冲击起保护作用,双极性瞬态二极管对相反的极性浪涌电压冲击都起保护作用,相当于两只稳压管反向串联,它优点是结电容小,响应时间短,功率大。单向TVS多用于直流和已知方向的信号电路,双极性TVS 多用于交流和变化的信号电路,TVS阵列多用于多线保护。TVS管也可以与二极管串联,利用二极管寄生电容较小的特点来降低总寄生电容,可以实现对高速信号端口的保护。TVS串行接入电路可以分电压,并行接入可以分电流,但在应用中应控制串/并数量,TVS在应用过程中必须考虑环境温度及温度变化情况对TVS特性的影响,因为温度上升会使TVS反向漏电流增加,功耗下降。另外,TVS按峰值功率可分为500 W,1 000 W,1 500 W,5 000 W等多种型号。

2 TVS 的主要参数及选用

2.1 最小击穿电压VBR

最小击穿电压VBR 等于1 mA 的测试电流通过TVS时,TVS 两极的电压值。VBR 根据其与标准值的离散程度分为两种:VBR(5%)与VBR(10%)。

2.2 额定反向工作电压VWM

TVS反向工作时,在规定的IR条件下,TVS两极的电压值称为额定反向工作电压VWM.一般情况,VWM=(0.8~0.9)VBR,离散度为5%的TVS,VWM=0.85VBR(5%);离散度为10%的TVS,VWM=0.81VBR(10%)。VWM值的选择要适中,VWM值既要大于等于US(最大持续工作电压),又要与US值相接近,选择太大或太小都不能安全可靠保护电路。

2.3 最大反向脉冲峰值电流IPP

TVS 反向工作时,在规定的脉冲条件下,TVS 允许通过的最大峰值脉冲电流称为最大反向脉冲峰值电流,峰值脉冲电流IPP应大于电路瞬态浪涌电流。

2.4 最大钳位电压VC

当脉冲峰值电流IPP流过TVS时,其两极的最大峰值电压为最大钳位电压。VC为TVS的电压保护水平,是选用TVS 十分关键的参数,应小于被保护电路耐压水平UW,否则TVS 将失去保护作用。TVS 钳位系数等于VC VBR ,钳位系数取值一般在1.2~1.4范围内。

2.5 峰值脉冲功率Ppp

峰值脉冲功率等于TVS允许通过的最大峰值脉冲电流IPP 与最大箝位电压VC 的乘积。Ppp 值与脉冲波形、脉冲时间及环境温度有关。在应用中要根据电路的特性和工作环境确定电路预期瞬态浪涌电流及可能出现的瞬态浪涌脉冲功率,峰值脉冲功率Ppp 应考虑20%的安全裕量,据此确定TVS额定脉冲功率Pppm.额定脉冲功率应大于被保护器件或线路可能出现的峰值脉冲功率。同时,电路设计必须认真考虑重复施加脉冲能量的累积,其能量不应超过TVS器件的脉冲能量额定值。

2.6 电容C

TVS的电容量由其芯片的面积和偏置电压来确定,其偏置电压与电容值C 成反比。在应用中要根据电路持性选择合适的电容范围,电容大会使信号损失,对信号起调制作用,引起干扰。

2.7 反向漏电流ID

当额定反向工作电压VWM 加于TVS两极时,TVS处于反向关断状态,流过TVS 的电流称为反向漏电流,ID值应小于或等于其最大反向漏电流。

2.8 钳位响应时间TC

钳位响应时间是指TVS两极电压从零升至最小击穿电压VBR的时间,TVS的TC小于1&TImes;10-12 s,仅为1 ps.

3 TVS 的特性分析

3.1 TVS的伏安特性

TVS能保护晶体管电路,是靠伏安特性起箝位作用,见图1.当TVS管电压为反偏,且位于0~VBR时,TVS管呈高电阻状态;当反偏电压超过VBR时,流经TVS管电流迅速增加,进入低电阻导通状态,从高电阻状态到低电阻状态延时只有ps数量级。TVS管两端电压被箝制在VC以下,经过电压脉冲过后,TVS管又恢复高阻状态。

3.2 TVS的钳位特性

TVS属限压型浪涌保护器件,能对过电压起钳位作用,将浪涌电压限制在安全耐压范围内,从而保护后面的负载电路。根据电路的基本理论,按照环路电压分析法,从图2可以看出,电路的输出电压Voutput可由式(1)得到:

若设浪涌电压Vg为8 kV,Rg为330 Ω,RS为0.14 Ω,TVS的VBR为6 V,则i≈24 A,那么由式(1)得Voutput=10 V.

利用TVS的钳位特性,将8 kV危险浪涌电压削减到10 V的安全电压。需要注意的是,以上电路应满足Rg》RS+RLoad》RS这一条件。

4 TVS 的应用

4.1 TVS在TN电源系统的应用

雷电过电压波、负载开关等人为操作错误引起的过电压容易通过供电线路侵入电气电子设备内部,造成电气电子设备失效、误动作,甚至造成设备的永久性损坏,造成严重经济损失。通过在电源线路上安装浪涌吸收装置MOV 和TVS,实施两级保护,并对L、N 线进行共模、差模保护。具体做法是在线路的前端安装MOV 作为第一级SPD保护,泄放大部分雷电流,在线路的末端(设备前端)安装大功率TVS作为第二级SPD保护,进一步削弱过电压波幅值,将电网电压降至E/I安全耐压范围之内,如图3所示。要注意的是,MOV与TVS应达到电压和能量的协调与配合,AB之间的线路长度不应小于5 m,否则应增加线路长度或安装退耦器件。

4.2 TVS在网络信号线路的应用

TVS不仅可以用于电源系统的浪涌防护,还可以用于信号线路的浪涌保护,采用气体放电管GDT 与TVS管组合成信号浪涌保护器,其特点是反应快,漏流小,几乎对信号无损耗,可以对高速网络线路提供安全、可靠的保护,如图4所示。

4.3 TVS在直流电源系统的应用

图5 为一台普通PC 电脑的供电电源电路,市电AC 220 V经过变压器降压至AC 20 V,再经调制整流电路,输出DC 10 V 直流电源,接入负载。通过在变压器输出端安装双向瞬态电压抑制器TVS1,吸收L 及N 线的瞬时冲击脉冲电流,将电路电压箝制在安全电压水平,TVS1可以保护变压器后端整流器及其他电路元器件。在整流器后的直流电源输出端安装单向瞬态电压抑制器TVS2,用于保护直流负载免受过电压电电流冲击。

4.4 TVS在晶体管电路的应用

晶体三极管作为电流控制型器件,是电子集成电路中的重要组成部分,可分为NPN 管和PNP 管[5]两类,应用于开关电路、放大电路和稳压电路。为了使晶体管电路免受ESD/EFT(静电放电/电快速瞬变脉冲群)等浪涌电压的干扰,在电路的输入端和输出端分别加入TVS1、TVS2进行保护,其保护电路如图6所示。

4.5 采用TVS保护TTL逻辑电路

TTL 电路是晶体管?晶体管逻辑电路的简称,是目前使用最广泛的一种门电路,通过输入高低电平[5],实现逻辑功能。它由三部分组成,即输入级(发射极晶体管V1 和基极电阻R1)、倒相级(V2 管和电阻R2,R3)、输出级(V3,V4,V5和电阻R4,R5)。对于TTL逻辑电路的浪涌防护,主要通过在输入级A,B 端分别加入TVS1 和TVS2 进行保护,在电路的输出端“L”加入TVS4 进行保护,在直流电源UCC端加入TVS3进行保护,可以有效抑制各种瞬变过电压对晶体管的EB 结或CE 结击穿而损坏。图7为TTL“与非”门的典型保护电路。

4.6 采用TVS保护MOS集成电路

MOS 集成电路的基本原件是MOS 晶体管,MOS 管有源极S、漏极D、栅极G三个电极,是电压控制元件,用变化的栅漏电压来控制漏源电流,MOS管分为P型MOS管和N型MOS管两种。由NMOS管和PMOS管组成的互补型MOS电路称为CMOS电路,它能对输出端的电容提供一个快速充放电回路,功耗小,工作速度较高,具有较强的负载能力及抗干扰能力,在数安集成电路中得到越来越广泛的应用。图8为COMS反相器保护电路图,在电路的输入端Ui、输出端Uo及电源电压UDD分别加入TVS3,TVS2,TVS1,从而保护晶体管电路及后面的负载元件。

5 结语

(1)TVS具有响应快、功率大、极间电容和体积小、无漏流、应用领域广等优点,可有效地保护TN 电源系统、直流电源、信号线路及晶体管集成电路等,可抑制共模/差模浪涌冲击和ESD/EFT等瞬态浪涌电压的干扰。

(2)电路设计应考虑被保护电路的特性、工作环境及TVS的VC,IPP,VWM,VBR,Ppp等相关参数选择适配的TVS保护器件,TVS接入电路应不影响电路的正常运行,能安全泄放预期瞬态浪涌电流,将危险电压钳位于电路安全耐压值以内。

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