TVS瞬態干擾抑制器性能與應用
2017-05-12 09:47:19
lipscall
硅瞬變吸收二極管的工作有點象普通的穩壓管，是箝位型的干擾吸收器件；其應用是與被保護設備并聯使用。 硅瞬變電壓吸收二極管具有極快的響應時間(亞納秒級)和相當高的浪涌吸收能力，及極多的電壓檔次。可用于保護設備或電路免受靜電、電感性負載切換時產生的瞬變電壓，以及感應雷所產生的過電壓。
TVS管有單方向(單個二極管)和雙方向(兩個背對背連接的二極管)兩種，它們的主要參數是擊穿電壓、漏電流和電容。使用中TVS管的擊穿電壓要比被保護電路工作電壓高10％左右，以防止因線路工作電壓接近TVS擊穿電壓，使TVS漏電流影響電路正常工作；也避免因環境溫度變化導致TVS管擊穿電壓落入線路正常工作電壓的范圍。
TVS管有多種封裝形式，如軸向引線產品可用在電源饋線上；雙列直插的和表面貼裝的適合于在印刷板上作為邏輯電路、I/O總線及數據總線的保護。(相關閱讀：TVS與壓敏電阻的那點“不同”)
TVS的特性
TVS的電路符號和普通的穩壓管相同。其正向特性與普通二極管相同，反向特性為典型的PN結雪崩器件。
在浪涌電壓的作用下，TVS兩極間的電壓由額定反向關斷電壓VWM上升到擊穿電壓VBR，而被擊穿。隨著擊穿電流的出現，流過TVS的電流將達到峰值脈沖電流IPP，同時在其兩端的電壓被箝位到預定的最大箝位電壓VC以下。
其后，隨著脈沖電流按指數衰減，TVS兩極間的電壓也不斷下降，最后恢復到初態，這就是TVS抑制可能出現的浪涌脈沖功率，保護電子元器件的過程。
當TVS兩極受到反向高能量沖擊時，它能以10~12s級的速度，將其兩極間的阻抗由高變低，吸收高達數千瓦的浪涌功率，使兩極間的電位箝位于預定值，有效地保護電子設備中的元器件免受浪涌脈沖的損害。
TVS具有響應時間快、瞬態功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓容易控制、體積小等優點，目前已廣泛應用于家用電器、電子儀表、通訊設備、電源、計算機系統等各個領域。
TVS的主要參數（推薦閱讀：高速電路保險絲的保護方法）
*最大反向漏電流ID和額定反向關斷電壓VWM。VWM是TVS最大連續工作的直流或脈沖電壓，當這個反向電壓加于TVS的兩極間時它處于反向關斷狀態，流過它的電流應小于或等于其最大反向漏電流ID。
*最小擊穿電壓VBR和擊穿電流IR。VBR是TVS最小的擊穿電壓。在25℃時，低于這個電壓TVS是不會發生雪崩的。當TVS流過規定的1mA電流(IR)時，加于TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓VBR。按TVS的VBR與標準值的離散程度，可把VBR分為5％和10％兩種。對于5％的VBR來說，VWM=0.85VBR；對于10％的VBR來說，VWM=0.81VBR。
*最大箝位電壓VC和最大峰值脈沖電流IPP。當持續時間為20mS的脈沖峰值電流IPP流過TVS時，在其兩端出現的最大峰值電壓為VC。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC與VBR之比稱為箝位因子，一般在1.2~1.4之間。
*電容量C。電容量C是由TVS雪崩結截面決定的，是在特定的1MHz頻率下測得的。C的大小與TVS的電流承受能力成正比，C太大將使信號衰減。因此，C是數據接口電路選用TVS的重要參數。
*最大峰值脈沖功耗PM。PM是TVS能承受的最大峰值脈沖功率耗散值。在給定的最大箝位電壓下，功耗PM越大，其浪涌電流的承受能力越大；在給定的功耗PM下，箝位電壓VC越低，其浪涌電流的承受能力越大。另外，峰值脈沖功耗還與脈沖波形、持續時間和環境溫度有關。
而且，TVS所能承受的瞬態脈沖是不重復的，器件規定的脈沖重復頻率(持續時間與間歇時間之比)為0.01％。如果電路內出現重復性脈沖，應考慮脈沖功率的累積，有可能損壞TVS。
*箝位時間TC。TC是從零到最小擊穿電壓VBR的時間。對單極性TVS小于1×10-12s；對雙極性TVS小于10×10-12s。
TVS的分類
TVS器件按極性可分為單極性和雙極性兩種；按用途可分為通用型和專用型；按封裝和內部結構可分為：軸向引線二極管、雙列直插TVS陣列、貼片式和大功率模塊等。軸向引線的產品峰值功率可以達到400W、500W、600W、1500W和5000W。其中大功率的產品主要用在電源饋線上，低功率產品主要用在高密度安裝的場合。對于高密度安裝的場合還可以選擇雙列直插和表面貼裝的封裝形式。
4TVS的選用
*確定被保護電路的最大直流或連續工作電壓，電路的額定標準電壓和最大可承受電壓。
*TVS的額定反向關斷電壓VWM應
如果電機是AC24V的，在電機方向線對地接一個470K壓敏電阻；如果電機是AC220V，則加471K壓敏電阻。意義重要是消除電機換相產生的尖峰高壓。
壓敏電阻雖然能吸收很大的浪涌電能量，但不能承受毫安級以上的持續電流，在用作過壓保護時必須考慮到這一點。壓敏電阻的選用，一般選擇標稱壓敏電壓V1mA和通流容量兩個參數。
1、所謂壓敏電壓，即擊穿電壓或閾值電壓。指在規定電流下的電壓值，大多數情況下用1mA直流電流通入壓敏電阻器時測得的電壓值，其產品的壓敏電壓范圍可以從10－9000V不等。可根據具體需要正確選用。
一般V1mA=1.5Vp=2.2VAC，式中，Vp為電路額定電壓的峰值。VAC為額定交流電壓的有效值。ZnO壓敏電阻的電壓值選擇是至關重要的，它關系到保護效果與使用壽命。
如一臺用電器的額定電源電壓為220V，則壓敏電阻電壓值V1mA=1.5Vp=1.5×1.414×220V=476V，V1mA=2.2VAC=2.2×220V=484V，因此壓敏電阻的擊穿電壓可選在470－480V之間。
2、所謂通流容量，即最大脈沖電流的峰值是環境溫度為25℃情況下，對于規定的沖擊電流波形和規定的沖擊電流次數而言，壓敏電壓的變化不超過± 10％時的最大脈沖電流值。為了延長器件的使用壽命，ZnO壓敏電阻所吸收的浪涌電流幅值應小于手冊中給出的產品最大通流量。
然而從保護效果出發，要求所選用的通流量大一些好。在許多情況下，實際發生的通流量是很難精確計算的，則選用2－20KA的產品。如手頭產品的通流量不能滿足使用要求時，可將幾只單個的壓敏電阻并聯使用，并聯后的壓敏電不變，其通流量為各單只壓敏電阻數值之和。要求并聯的壓敏電阻伏安特性盡量相同，否則易引起分流不均勻而損壞壓敏電阻。
3, 標稱電壓選取
一般地說，壓敏電阻器常常與被保護器件或裝置并聯使用，在正常情況下，壓敏電阻器兩端的直流或交流電壓應低于標稱電壓，即使在電源波動情況最壞時，也不應高于額定值中選擇的最大連續工作電壓，該最大連續工作電壓值所對應的標稱電壓值即為選用值。對于過壓保護方面的應用，壓敏電壓值應大于實際電路的電壓值，一般應使用下式進行選擇：
VmA＝av／bc 式中：a為電路電壓波動系數，一般取1.2；v為電路直流工作電壓（交流時為有效值）；b為壓敏電壓誤差，一般取0.85；c為元件的老化系數，一般取0.9；
這樣計算得到的VmA實際數值是直流工作電壓的1．5倍，在交流狀態下還要考慮峰值，因此計算結果應擴大1．414倍。另外，選用時還必須注意：
(1) 必須保證在電壓波動最大時，連續工作電壓也不會超過最大允許值，否則將縮短壓敏電阻的使用壽命；
(2) 在電源線與大地間使用壓敏電阻時，有時由于接地不良而使線與地之間電壓上升，所以通常采用比線與線間使用場合更高標稱電壓的壓敏電阻器。
壓敏電阻所吸收的浪涌電流應小于產品的最大通流量