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TVS瞬变二极管主要特性参数和选用注意事项
发布者:深圳市踏歌科技有限公司  发布时间:2016-10-27
  瞬变二极管是一种二极管形式的高效能保护器件,具有极快的响应时间和相当高的浪涌吸收能力。当TVS二极管的两端受到反向瞬态过压脉冲时,能以极高的速度把两端间的高阻抗变为低阻抗,以吸收瞬间大电流,并将电压箝制在预定数值,从而有效保护电路中的元器件免受损坏。本文讲述了TVS器件的主要特性参数和选用注意事项,同时给出了TVS在电路设计中的应用方法。

  1 TVS二极管的特性及主要参数
  1.1 TVS二极管的器件特性
  在规定的反向应用条件下,TVS二极管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二极管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二极管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,但陶瓷贴片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二极管的主要参数
  (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二极管时,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二极管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二极管的漏电流。当TVS用于高阻抗电路时,这个漏电流IR一个重要参数。

  2选用TVS二极管的注意事项
  在选用TVS二极管时,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二极管一般用于直流电路。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二极管的最高反向工作电压。

  3 TVS在电路设计中的典型应用
  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。以下是TVS在电路应用中的几个典型实例。
  3.1 TVS二极管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。
TVS瞬变二极管用于交流电路
  3.2用TVS二极管保护直流稳压电源
  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。
TVS瞬变二极管保护直流稳压电源实例
  3.3用TVS二极管保护晶体管电路
  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。
  3.4集成电路的保护
  由于现代IC的集成度越来越高,而其耐压则越来越低,因而很容易受到瞬变电压的冲击而损坏,故须采取保护措施。通常在CMOS电路的输入端及输出端都有保护网路,为了可靠起见,在各整机对外接口处也增加了各种保护网络。图4给出了用TVS对TTL及CMOS器件进行保护的有关电路措施。
基于TVS瞬变二极管的晶体管保护电路
  3.5用TVS二极管保护集成运放
  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5所示是用TVS在运放差模输入端防止过压损伤的保护电路。
TVS瞬变二极管保护集成运放实例

  4本篇结束语
  本文主要讲述了TVS器件的特性和主要参数,以及选用器件时的注意事项,同时给出了器件在电路设计中的典型应用电路,以便加深电路设计人员对TVS二极管的认识,为设计出高可靠性的应用电路提供基础。虽然目前的TVS二极管在国内的应用正处于推广阶段,但我们有理由相信,随着越来越多的设计者对TVS二极管的认识不断加深以及TVS所表现出来的优异性能,TVS二极管器件最终将获得极为广泛的应用。
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