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第二讲:瞬态抑制二极管(TVS)如何进行电路保护

发布时间:2012-10-25 来源:电子元件技术网 责任编辑:Hedyxing

导读:元件的小型化使得产品对电气应力日益敏感,而由雷击和静电放电引起的瞬变现象越来越多的受到关注,尤其是高清监控多装于室外,遭受雷击及干扰的现象在所难免,因此必须对电压干扰及雷电进行防护,以防止监控设备运作中断而丢失一些重要的视频,造成一些不必要的麻烦或损失。本文主要讲述TVS器件的主要特性及选用注意事项,同时也给出了TVS在电路保护设计中的应用方法。

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1 TVS器件的特性及主要参数

1.1 TVS的器件特性

在规定的反向应用条件下,TVS对受保护的线路呈高阻抗状态。当瞬间电压超过其击穿电压时,TVS就会提供一个低阻抗的路径,并通过大电流方式使流向被保护元器件的瞬间电流分流到TVS二极管,同时将受保护元器件两端的电压限制在TVS的箝制电压。当过压条件消失后,TVS又恢复到高阻抗状态。与陶瓷电容相比,TVS可以承受15 kV的电压,但陶瓷电容对高压的承受能力比较弱。5 kV的冲击就会造成约10%陶瓷电容失效,而到10 kV时,其损坏率将高达到60%。

1.2 TVS器件的主要参数


(1)最小击穿电压VBR

当TVS流过规定的电流时,TVS两端的电压称为最小击穿电压,在此区域,TVS呈低阻抗的通路。在25℃时,低于这个电压,TVS是不会发生雪崩击穿的。

(2)额定反向关断电压VWM

VWM是TVS在正常状态时可承受的电压,此电压应大于或等于被保护电路的正常工作电压。但它又需要尽量与被保护电路的正常工作电压接近,这样才不会在TVS工作以前使整个电路面对过压威胁。按TVS的VBR与标准值的离散度,可把VBR分为5%和10%两种,对于5%的VBR来说,VWM=0.85VBR腿;而对于10%的VBR来说,VWM=0.81VBR。

(3)最大峰值脉冲电流IPP

IPP是TVS在反向状态工作时,在规定的脉冲条件下,器件允许通过的最大脉冲峰值电流。

(4)箝位电压Vc

当脉冲峰值电流Ipp流过TVS时,其两端出现的最大电压值称为箝位电压Vc。Vc和Ipp反映了TVS的浪涌抑制能力。通常把Vc与VBR之比称为箝位因子(系数),其值一般在1.2~1.4之间。实际使用时,应使Vc不大于被保护电路的最大允许安全电压,否则被保护器件将面临被损坏的可能。

(5)最大峰值脉冲功耗PM

PM通常是最大峰值脉冲电流Ipp与箝位电压Vc的乘积,也就是最大峰值脉冲功耗。它是TVS能承受的最大峰值脉冲功耗值。在给定的最大钳位电压下,功耗PM越大,其浪涌电流的承受能力越大。另外,峰值脉冲功耗还与脉冲波形、脉冲持续时间和环境温度有关。而且,TVS所能承受的瞬态脉冲是不可重复施加的。

(6)电容量C

TVS的电容是由其硅片的截面积和偏置电压来决定的,它是在1 MHz特定频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比,C太大,将使信号衰减。因此,电容C是数据接口电路选用TVS的重要参数。

(7)漏电流IR

IR是最大反向工作电压施加到TVS上时,TVS管的漏电流。当TVS用于高阻抗电路时,这个漏电流IR一个重要参数。


2、TVS应用的三大特点

1)将TVS二极管加在信号及电源线上,能防止微处理器或单片机因瞬间的脉冲,如静电放电效应、交流电源之浪涌及开关电源的噪音所导致的失灵。

2)静电放电效应能释放超过10000V、60A以上的脉冲,并能持续10ms;而一般的TTL器件,遇到超过30ms的10V脉冲时,便会导至损坏。利用TVS二极管,可有效吸收会造成器件损坏的脉冲,并能消除由总线之间开关所引起的干扰(Crosstalk)。

3)将TVS二极管放置在信号线及接地间,能避免数据及控制总线受到不必要的噪音影响。
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3、选用TVS的注意事项

在选用TVS时,根据电路的具体情况,一般应考虑以下几个主要因素:

首先,由于双向TVS可以在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率,并把电压箝制到预定水平。因此,若电路有可能承受来自两个方向的浪涌电压冲击时,应当选用双向TVS。双向TVS一般适用于交流电路,单向TVS一般用于直流电路。另外,箝位电压Vc不大于被保护电路的最大允许安全电压。

其次,就是最大峰值脉冲功耗PM必须大于电路中出现的最大瞬态浪涌功率。但是,在实际应用过程中,浪涌有可能重复地出现,在这种情况下,即使单个的脉冲能量比TVS器件可承受的脉冲能量要小得多,但是,如果重复施加,这些单个的脉冲能量积累起来,也可能在某些情况下超过TVS器件所能承受的脉冲能量。因此,在电路设计时,必须在这点上认真考虑并选用合适的TVS器件,以使其在规定的间隔时间内,重复施加脉冲能量的累积不至于超过TVS器件的脉冲能量额定值。

第三,在实际应用过程中,对最大反向工作电压必须有正确的选取,一般原则是以交流电压的1.4倍来选取TVS管的最大反向工作电压。直流电压则按1.1~1.2倍来选取TVS管的最高反向工作电压。

推荐下载:
Littelfuse15000W 轴向引线型瞬态抑制二极管(pdf)
                  
Bourns高电流双向的电压瞬变抑制二极管(pdf)
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4、TVS在电路保护设计中的典型应用

在实际的应用电路中,处理瞬时脉冲对器件损害的最好办法,就是将瞬时电流从敏感器件引开。为达到这一目的,将TVS在线路板上与被保护线路并联。这样,当 瞬时电压超过电路正常工作电压后,TNS将发生雪崩击穿,从而提供给瞬时电流一个超低阻抗的通路,其结果是瞬时电流通过TVS被引开,从而避开被保护器 件,并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。在此之后,当瞬时脉冲结束以后,TVS二极管再自动恢复至高阻状态,整个回路进入正常电压状 态。

4.1 TVS在交流电路中的应用  
 
图1所示是一个双向TVS在交流电路中的应用电路。应用TVS可以有效地抑制电网带来的过载脉冲,从而起到保护整流桥及负载中所有元器件的作用。图1中的TVS箝位电压应不大于电路的最大允许电压。


图1 双向TVS在交流电路中的应用电路

4.2 用TVS保护直流稳压电源   
图2是一个直流稳压电源,在其稳压输出端加上TVS,可以保护使用该电源的仪器设备,同时还可以吸收电路中晶体管的集电极到发射极间的峰值电压,从而保护晶体管。建议在每个稳压源的输出端增加一个TVS管,这样可以大幅度地提高整机的可靠性。


图2 TVS保护直流稳压电源


4.3 用TVS保护晶体管电路   
各种瞬变电压能使晶体管的EB结或CE结击穿而损坏,特别是晶体管集电极有感性(线圈、变压器、电动机)负载时,通常会产生高压反电势,因而可能使晶体管损坏。在实际应用中,建议采用TVS作为保护器件。图3所示为TVS保护晶体管的四种电路实例。


图3 TVS保护晶体管电路

4.4 用TVS保护集成运放   
集成运放对外界电应力非常敏感。因此,在使用运放的过程中,如果因操作失误或采取了不正常的工作条件,往往会出现过大的电压或电流,特别是浪涌和静电脉冲,从而很容易使运放受损或失效。图4所示是用TVS在运放差模输入端防止过压损伤的保护电路。


图4 TVS在运放差模输入端防止过压损伤的保护电路


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