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  • TVS管與其在電路設(shè)計(jì)詳解
    • 發(fā)布時(shí)間:2020-07-15 17:31:00
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    TVS管與其在電路設(shè)計(jì)詳解
    瞬態(tài)電壓抑制器是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件,具有極快的響應(yīng)時(shí)間和相當(dāng)高的浪涌吸收能力。當(dāng)TVS的兩端受到反向瞬態(tài)過壓脈沖時(shí),能以極高的速度把兩端間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?,以吸收瞬間大電流,并將電壓箝制在預(yù)定數(shù)值,從而有效保護(hù)電路中的元器件免受損壞。本文講述了TVS器件的主要特性參數(shù)和選用注意事項(xiàng),同時(shí)給出了TVS在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法。
    1 TVS器件的特性及主要參數(shù)
    1.1 TVS的器件特性
    在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下,TVS對受保護(hù)的線路呈高阻抗?fàn)顟B(tài)。當(dāng)瞬間電壓超過其擊穿電壓時(shí),TVS就會提供一個(gè)低阻抗的路徑,并通過大電流方式使流向被保護(hù)元器件的瞬間電流分流到TVS二極管,同時(shí)將受保護(hù)元器件兩端的電壓限制在TVS的箝制電壓。當(dāng)過壓條件消失后,TVS又恢復(fù)到高阻抗?fàn)顟B(tài)。與陶瓷電容相比,TVS可以承受15 kV的電壓,但陶瓷電容對高壓的承受能力比較弱。5 kV的沖擊就會造成約10%陶瓷電容失效,而到10 kV時(shí),其損壞率將高達(dá)到60%。
    1.2 TVS器件的主要參數(shù)
    (1)最小擊穿電壓VBR
    當(dāng)TVS流過規(guī)定的電流時(shí),TVS兩端的電壓稱為最小擊穿電壓,在此區(qū)域,TVS呈低阻抗的通路。在25℃時(shí),低于這個(gè)電壓,TVS是不會發(fā)生雪崩擊穿的。
    (2)額定反向關(guān)斷電壓VWM
    VWM是TVS在正常狀態(tài)時(shí)可承受的電壓,此電壓應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的正常工作電壓。但它又需要盡量與被保護(hù)電路的正常工作電壓接近,這樣才不會在TVS工作以前使整個(gè)電路面對過壓威脅。按TVS的VBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散度,可把VBR分為5%和10%兩種,對于5%的VBR來說,VWM=0.85VBR腿;而對于10%的VBR來說,VWM=0.81VBR。
    (3)最大峰值脈沖電流IPP
    Ipp是TVS在反向狀態(tài)工作時(shí),在規(guī)定的脈沖條件下,器件允許通過的最大脈沖峰值電流。
    (4)箝位電壓Vc
    當(dāng)脈沖峰值電流Ipp流過TVS時(shí),其兩端出現(xiàn)的最大電壓值稱為箝位電壓Vc。Vc和Ipp反映了TVS的浪涌抑制能力。通常把Vc與VBR之比稱為箝位因子(系數(shù)),其值一般在1.2~1.4之間。實(shí)際使用時(shí),應(yīng)使Vc不大于被保護(hù)電路的最大允許安全電壓,否則被保護(hù)器件將面臨被損壞的可能。
    (5)最大峰值脈沖功耗PM
    PM通常是最大峰值脈沖電流Ipp與箝位電壓Vc的乘積,也就是最大峰值脈沖功耗。它是TVS能承受的最大峰值脈沖功耗值。在給定的最大鉗位電壓下,功耗PM越大,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、脈沖持續(xù)時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)。而且,TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不可重復(fù)施加的。
    (6)電容量C
    TVS的電容是由其硅片的截面積和偏置電壓來決定的,它是在1 MHz特定頻率下測得的。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,電容C是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS的重要參數(shù)。
    (7)漏電流IR
    IR是最大反向工作電壓施加到TVS上時(shí),TVS管的漏電流。當(dāng)TVS用于高阻抗電路時(shí),這個(gè)漏電流IR一個(gè)重要參數(shù)。
    2選用TVS的注意事項(xiàng)
    在選用TVS時(shí),根據(jù)電路的具體情況,一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)主要因素:
    首先,由于雙向TVS可以在正反兩個(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈沖功率,并把電壓箝制到預(yù)定水平。因此,若電路有可能承受來自兩個(gè)方向的浪涌電壓沖擊時(shí),應(yīng)當(dāng)選用雙向TVS。雙向TVS一般適用于交流電路,單向TVS一般用于直流電路。另外,箝位電壓Vc不大于被保護(hù)電路的最大允許安全電壓。
    其次,就是最大峰值脈沖功耗PM必須大于電路中出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率。但是,在實(shí)際應(yīng)用過程中,浪涌有可能重復(fù)地出現(xiàn),在這種情況下,即使單個(gè)的脈沖能量比TVS器件可承受的脈沖能量要小得多,但是,如果重復(fù)施加,這些單個(gè)的脈沖能量積累起來,也可能在某些情況下超過TVS器件所能承受的脈沖能量。因此,在電路設(shè)計(jì)時(shí),必須在這點(diǎn)上認(rèn)真考慮并選用合適的TVS器件,以使其在規(guī)定的間隔時(shí)間內(nèi),重復(fù)施加脈沖能量的累積不至于超過TVS器件的脈沖能量額定值。
    第三,在實(shí)際應(yīng)用過程中,對最大反向工作電壓必須有正確的選取,一般原則是以交流電壓的1.4倍來選取TVS管的最大反向工作電壓。直流電壓則按1.1~1.2倍來選取TVS管的最高反向工作電壓。
    3 TVS在電路設(shè)計(jì)中的典型應(yīng)用
    在實(shí)際的應(yīng)用電路中,處理瞬時(shí)脈沖對器件損害的最好辦法,就是將瞬時(shí)電流從敏感器件引開。為達(dá)到這一目的,將TVS在線路板上與被保護(hù)線路并聯(lián)。這樣,當(dāng)瞬時(shí)電壓超過電路正常工作電壓后,TNS將發(fā)生雪崩擊穿,從而提供給瞬時(shí)電流一個(gè)超低阻抗的通路,其結(jié)果是瞬時(shí)電流通過TVS被引開,從而避開被保護(hù)器件,并且在電壓恢復(fù)正常值之前使被保護(hù)回路一直保持截止電壓。在此之后,當(dāng)瞬時(shí)脈沖結(jié)束以后,TVS二極管再自動(dòng)恢復(fù)至高阻狀態(tài),整個(gè)回路進(jìn)入正常電壓狀態(tài)。以下是TVS在電路應(yīng)用中的幾個(gè)典型實(shí)例。
    3.1 TVS在交流電路中的應(yīng)用
    圖1所示是一個(gè)雙向TVS在交流電路中的應(yīng)用電路。應(yīng)用TVS可以有效地抑制電網(wǎng)帶來的過載脈沖,從而起到保護(hù)整流橋及負(fù)載中所有元器件的作用。圖1中的TVS箝位電壓應(yīng)不大于電路的最大允許電壓。
    TVS管
    3.2用TVS保護(hù)直流穩(wěn)壓電源
    圖2是一個(gè)直流穩(wěn)壓電源,在其穩(wěn)壓輸出端加上TVS,可以保護(hù)使用該電源的儀器設(shè)備,同時(shí)還可以吸收電路中晶體管的集電極到發(fā)射極間的峰值電壓,從而保護(hù)晶體管。建議在每個(gè)穩(wěn)壓源的輸出端增加一個(gè)TVS管,這樣可以大幅度地提高整機(jī)的可靠性。
    TVS管
    3.3用TVS保護(hù)晶體管電路
    各種瞬變電壓能使晶體管的EB結(jié)或CE結(jié)擊穿而損壞,特別是晶體管集電極有感性(線圈、變壓器、電動(dòng)機(jī))負(fù)載時(shí),通常會產(chǎn)生高壓反電勢,因而可能使晶體管損壞。在實(shí)際應(yīng)用中,建議采用TVS作為保護(hù)器件。圖3所示為TVS保護(hù)晶體管的四種電路實(shí)例。
    TVS管
    3.4集成電路的保護(hù)
    由于現(xiàn)代IC的集成度越來越高,而其耐壓則越來越低,因而很容易受到瞬變電壓的沖擊而損壞,故須采取保護(hù)措施。通常在CMOS電路的輸入端及輸出端都有保護(hù)網(wǎng)路,為了可靠起見,在各整機(jī)對外接口處也增加了各種保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。圖4給出了用TVS對TTL及CMOS器件進(jìn)行保護(hù)的有關(guān)電路措施。
    TVS管
    3.5用TVS保護(hù)集成運(yùn)放
    集成運(yùn)放對外界電應(yīng)力非常敏感。因此,在使用運(yùn)放的過程中,如果因操作失誤或采取了不正常的工作條件,往往會出現(xiàn)過大的電壓或電流,特別是浪涌和靜電脈沖,從而很容易使運(yùn)放受損或失效。圖5所示是用TVS在運(yùn)放差模輸入端防止過壓損傷的保護(hù)電路。
    TVS管
    4結(jié)束語
    本文主要講述了TVS器件的特性和主要參數(shù),以及選用器件時(shí)的注意事項(xiàng),同時(shí)給出了器件在電路設(shè)計(jì)中的典型應(yīng)用電路,以便加深電路設(shè)計(jì)人員對TVS的認(rèn)識,為設(shè)計(jì)出高可靠性的應(yīng)用電路提供基礎(chǔ)。雖然目前的TVS在國內(nèi)的應(yīng)用正處于推廣階段,但我們有理由相信,隨著越來越多的設(shè)計(jì)者對TVS的認(rèn)識不斷加深以及TVS所表現(xiàn)出來的優(yōu)異性能,TVS器件最終將獲得極為廣泛的應(yīng)用。
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