TVS的特性及其参数
mouser 2021-11-23

电压及电流的瞬态干扰是造成电子电路及设备损坏的主要原因,常给人们带来无法估量的损失。这些干扰通常来自于电力设备起停操作、交流电网波动、雷电干扰及静电放电等。瞬态干扰几乎无处不在、无时不有,让人防不胜防。幸好,一种高效能的电路保护器件TVS的出现使瞬态干扰得到了有效抑制。

TVS(Transient Voltage Suppressor)或称瞬变电压抑制二极管,是在稳压管工艺基础上发展起来的一种新产品,其电路符号和普通稳压二极管相同,外形也与普通二极管无异。当TVS管两端经受瞬间高能量冲击时,它能以极高的速度(最高达1*10-12秒)使其阻抗骤然降低,同时吸收一个大电流,将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上,从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。

TVS的特性及其参数

“图1:TVS特性曲线”图1:TVS特性曲线

TVS的特性

如果用图示仪观察TVS的特性,就可得到图1中左图所示的波形。如果单就这个曲线来看,TVS管和普通稳压管的击穿特性基本一致,为典型PN结的雪崩器件。

但这条曲线只反映了TVS特性的一个部分,还必须补充图1右边所示的特性曲线,才能反映TVS的全部特性。这是在双踪示波器上观察到的TVS管承受大电流冲击时的电流及电压波形。

图1中曲线1是TVS管中的电流波形,它表示流过TVS管的电流由1mA突然上升到峰值,然后按指数规律下降,造成这种电流冲击的原因可能是雷击或过压等过猛的冲击因素。

曲线2是TVS管两端电压的波形,它表示TVS中的电流突然上升时,TVS两端电压也随之上升,但最大只上升到VC值,这个值比击穿电压VBR略大,从而对后面的电路元件起到保护作用。

TVS的参数

“图2:TVS特性及参数”图2:TVS特性及参数

A:击穿电压(VBR):TVS在此时阻抗骤然降低,处于雪崩击穿状态。

B:测试电流(IT):TVS的击穿电压VBR在此电流下测量而得。一般情况下IT取1MA。

C:反向变位电压(VRWM):TVS的最大额定直流工作电压,当TVS两端电压继续上升,TVS将处于高阻状态。

D:最大反向漏电流(IR):在工作电压下测得的流过TVS的最大电流。

E:最大峰值脉冲电流(IPP):TVS允许流过的最大浪涌电流,它反映了TVS的浪涌抑制能力。

F:最大箝位电压(VC):当TVS管承受瞬态高能量冲击时,该管中流过大电流,峰值为IPP,端电压由VRWM升到VC值就不再上升,从而实现保护作用。浪涌过后,IPP随时间以指数形式衰减,当衰减到一定值后,TVS两端电压由VC开始下降,恢复原来状态。最大箝位电压VC与击穿电压VBR之比称为箝位因子Cf,表示为Cf=VC/VBR,一般箝位因子仅为1.2~1.4。

G:峰值脉冲功率(PP):PP按峰值脉冲功率的不同TVS分为四种,有500W、600W、1500W和5000W。最大峰值脉冲功率:最大峰值脉冲功率为:PN=VC·IPP。显然,最大峰值脉冲功率愈大,TVS所能承受的峰值脉冲电流IPP愈大;另一方面,额定峰值脉冲功率PP确定以后,TVS所能承受的峰值脉冲电流IPP,随着最大箝位电压VC的降低而增加。TVS最大允许脉冲功率除了和峰值脉冲电流和箝位电压有关外,还和脉冲波形、脉冲持续时间和环境温度有关。

TVS所能承受的瞬时脉冲峰值可达数百安培,其箝位响应时间仅为1*10-12秒;TVS所允许的正向浪涌电流在25℃、1/120秒的条件下,也可达50-200安培。一般而言,TVS所能承受的瞬时脉冲是不重复的脉冲。而实际应用中,电路中可能出现重复性脉冲。

TVS器件规定,脉冲重复率比(脉冲持续时间和间歇时间之比)为0.01%。如不符合这一条件,脉冲功率的积累有可能使TVS烧毁,电路设计人员应注意这一点。TVS的工作是可靠的,即使长期承受不重复性大脉冲的高能量的冲击,也不会出现“老化”问题。试验证明,TVS经过10000次脉冲的安全工作后,其最大允许脉冲功率仍为原值的80%以上。

TVS主要用于对电路元件进行快速过电压保护。它能“吸收”功率高达数千瓦的浪涌信号。TVS具有体积小、功率大、响应快、无噪声和价格低等诸多优点。它的应用十分广泛,如:家用电器、电子仪器、仪表、精密设备、计算机系统、通讯设备、RS232、485及CAN等通讯端口、ISDN的保护、I/O端口、IC电路保护;音、视频输入;交、直流电源;电机、继电器噪声的抑制等各个领域。它可以有效地对雷电和人为操作错误(涉及负载开关等)引起的过电压冲击起保护作用。

TVS的选用方法

1、确定待保护电路的直流电压或持续工作电压。如果是交流电,应计算出最大值,即用有效值乘以1.414。

2、TVS的反向变位电压即工作电压(VRWM),所选TVS的VRWM应等于或大于上述步骤1所规定的操作电压。这就保证了在正常工作条件下,TVS吸收的电流可忽略不计。如果步骤1所规定的电压高于TVS的VRWM,TVS将吸收大量的漏电流而处于雪崩击穿状态,从而影响电路的工作。

3、最大峰值脉冲功率确定电路的干扰脉冲情况。根据干扰脉冲的波形、脉冲持续时间,可确定能够有效抑制该干扰的TVS峰值脉冲功率。

4、所选TVS的最大箝位电压(VC)应低于被保护电路所允许的最大承受电压。

5、单极性还是双极性:常常会出现这样的误解,即双向TVS用来抑制反向浪涌脉冲,其实并非如此。双向TVS用于交流电或来自正负双向脉冲的场合,TVS有时也用于减少电容。如果电路只有正向电平信号,那么单向TVS就足够了。

TVS的运作方式如下:正向浪涌时,TVS处于反向雪崩击穿状态;反向浪涌时,TVS类似正向偏置二极管一样导通并吸收浪涌能量。在低电容电路中,情况就不是这样了,此时应选用双向TVS以保护电路中的低电容器件免受反向浪涌的损害。

6、如果知道比较准确的浪涌电流IPP,那么可以利用VC来确定其功率,如果无法确定功率的大概范围,一般来说,选择大一些的功率比较好。 

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