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本文主要介紹防浪涌電路中的元器件之TVS以及一些常用的電路。

 

1、概述:

 

防浪涌電路中的元器件主要有氣體放電管、壓敏電阻、TVS管、TSS管、保險(xiǎn)管、熔斷器、空氣開關(guān)、還有電感、電阻、電容等。

 

本文我們來詳細(xì)分析TVS的工作原理。

 

以下是工作原理示意圖：

 

電壓鉗位型瞬態(tài)抑制二極管TVS （Transient Voltage Suppressor），是一種限壓保護(hù)器件? 

 

如下圖所示的是常用的幾種封裝形式的TVS原理圖符號：

 

還有集成式的，如下圖所示：

目前，市面上的TVS多用半導(dǎo)體硅片制成，和二極管類似,其是由一個(gè)或者多個(gè)PN節(jié)構(gòu)成。

 

它是一種具有非線性伏安特性的電子器件，主要用于在電路承受過壓時(shí)進(jìn)行電壓鉗位，吸收多余的電流以保護(hù)敏感器件，和壓敏電阻類似。

 

以下是TVS的特性和工作區(qū)域描述：

下圖是壓敏電阻吸收浪涌的示意圖：

下圖為TVS吸收浪涌的示意圖：

從兩幅圖可以看出，其作用與壓敏電阻很類似? 也是利用器件的非線性特性將過電壓鉗位到一個(gè)較低的電壓值實(shí)現(xiàn)對后級電路的保護(hù)的? 

二極管的等效電路如下圖所示：

正常情況下相當(dāng)于一個(gè)電容，和信號線的電阻可以組成一個(gè)低通濾波器，因此TVS管會造成插入損耗，降低信號質(zhì)量。

 

下圖為不同結(jié)電容與插入損耗的關(guān)系示意圖：

TVS動態(tài)電阻（RDYN）表示浪涌電流分流到GND的難易程度。低動態(tài)電阻TVS管能將更多浪涌電流分流到GND。

 

從連接器端看，TVS管和受保護(hù)器件的阻抗可視為并聯(lián)阻抗。

 

如果TVS管阻抗（即動態(tài)電阻）低，則大部分浪涌電流可通過TVS管分流，減少流入受保護(hù)器件的電流，從而降低損壞的可能性，如下圖所示：

RDYN是反向?qū)Ｊ较耉F–IF曲線的斜率，如下圖所示，可以說明如何計(jì)算TVS的動態(tài)電阻：

 

TVS的主要參數(shù)有反向擊穿電壓? 最大鉗位電壓? 瞬間功率? 結(jié)電容及響應(yīng)時(shí)間等?

 

如下為某TVS管的電氣參數(shù)表之一：

 

下面對表中參數(shù)進(jìn)行簡單介紹：

 

脈沖峰值功率（Peak pulse power）Ppk：該脈沖功率有的是在8/20us @25℃的測試條件下測得，如下圖所示：

 

80/20us代表一個(gè)上升時(shí)間為8µs，半峰值時(shí)間為20 µs的沖擊電流波形，如下圖所示：

有的是在10/1000us @25℃的條件下測試得到的，為TVS在特定標(biāo)準(zhǔn)波形下測到的峰值功率。如下表為某TVS管的電氣參數(shù)表：

下圖為10/1000us @25℃的測試波形，這兩種波形我們在前面的講壓敏電阻和氣體放電管的時(shí)候都有涉及到。

其實(shí)這兩種波形的形式都一樣，只是上升沿的時(shí)間和下降到半峰值時(shí)的時(shí)間不同罷了。

 

脈沖峰值電流（Peak pulse current）IPP：和峰值功率一樣的測試條件，是在特定標(biāo)準(zhǔn)波形下TVS管所能承受到的峰值電流。

 

IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)下的空氣放電 VESD：IEC 61000-4-2為靜電放電的一個(gè)模型，它區(qū)別于人體模型（HBM）和帶電裝置模型（CDM）這是一個(gè)為日常使用設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。

 

如紅色波形所示，IEC 61000-4-2 波形像是CDM和HBM的合并，前面快速的上升是模擬CDM，后邊持續(xù)的放電時(shí)模擬HBM，它用了更高的電流脈沖并且持續(xù)的時(shí)間也更長。

IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)下的接觸放電 VESD：和空氣放電類似，只是操作的時(shí)候一個(gè)是接觸，一個(gè)是非接觸，此處不再贅述。

 

以下圖表中的參數(shù)是TVS選型中常用的電氣參數(shù)，各家的參數(shù)描述大同小異，下面我們來一 一解釋。

在介紹這些參數(shù)之前，我們需要熟悉一下TVS的I/V曲線：

 

反向關(guān)斷電壓（Reverse Stand-Off Voltage）VRWM：當(dāng)TVS管反向不導(dǎo)通時(shí)的最大電壓，對應(yīng)的電流IR為最大反向漏電流。

 

該電壓一般要略大于被保護(hù)電路的最高工作電壓。

 

漏電流IR一般為0.1uA~1uA。

 

反向擊穿電壓（Reverse Breakdown Voltage）VBR：是在規(guī)定的脈沖電流IT下或者接近發(fā)生雪崩的電流條件下測得的TVS兩端的電壓。

 

IT一般選取為1~10mA，施加的電流時(shí)間不超過400ms。

 

擊穿電壓是TVS管導(dǎo)通的標(biāo)志，當(dāng)反向電壓超過擊穿電壓時(shí)，隨著反向電壓增大，反向電流將急劇增大。

 

通常擊穿電壓和反向關(guān)斷電壓的關(guān)系如下：

 

VRWM=（0.8~0.9）VBR

 

峰值脈沖電流（Peak Pulse Current）IPP：是TVS按照規(guī)定的電流脈沖(8/20us或10/1000us)波形下，TVS允許通過的最大峰值電流。

 

鉗位電壓（Clamping Voltage）Vc：是指在峰值脈沖電流IPP條件下測得的TVS管兩端的電壓，一般選取30ns時(shí)的電壓值。

 

不同的IPP值，對應(yīng)的VC不同。

 

我們在選型時(shí)，VC應(yīng)小于后級電路所能承受的瞬態(tài)安全電壓。

 

如下為某RS485芯片的電氣參數(shù)，如果我們在A、B處加TVS管，則VC要小于15V。

節(jié)電容（Junction Capacitance）Cj：為TVS的PN節(jié)的電容，通常在一定頻率下測得。

 

不同類型的TVS的結(jié)電容差別比較大，從零點(diǎn)幾皮法到幾十皮法甚至有納法級別的。

 

該值高速電路中要格外關(guān)注，因?yàn)樵撝档拇笮绊懶盘柕馁|(zhì)量，常見接口中的TVS結(jié)電容推薦如下：

 

還有一種結(jié)電容和信號頻率的關(guān)系，可以相互參考：

以上是對TVS基本參數(shù)和功能的概述，下面我們來分析TVS在使用上的注意事項(xiàng)。

 

2、TVS 使用時(shí)的注意事項(xiàng)：

 

前面已經(jīng)有一些結(jié)論性的東西了，此處我們再總結(jié)一下。

 

1、TVS額定反向關(guān)斷VRWM應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的最大工作電壓。

 

2、TVS的最大鉗位電壓VC應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓。

 

3、對于數(shù)據(jù)接口電路的保護(hù)，選型時(shí)要注意結(jié)電容Cj，具體值可以參考上述表格中推薦的值。

 

4、不同通訊接口所用的TVS一般都有專用的，如HDMI、CAN、Audio等，先找是否有專用的再選普通的。

 

5、TVS管在布局的時(shí)候要靠近ESD進(jìn)入點(diǎn)，盡量保證與TVS管串聯(lián)的走線電感最?。?/span>

 

如下圖所示為不同布局下的TVS管的鉗位電壓，走線電感越小，鉗位電壓越低：

 

不要將任何PCB走線與可能引入ESD脈沖的信號走線并行。特別是，避免ESD抗擾度低的走線與可能受ESD影響的走線并行。

TVS 的響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到ps級, 是限壓型浪涌保護(hù)器件中最快的?

 

TVS 的非線性特性比壓敏電阻好? 當(dāng)通過TVS的過電流增大時(shí), TVS的鉗位電壓上升速度比壓敏電阻慢, 因此可以獲得比壓敏電阻更理想的殘壓輸出?

 

TVS的通流容量在限壓型浪涌保護(hù)器中是最小的, 一般用于最末級的精細(xì)保護(hù), 因其通流量小, 一般不用于交流電源線路的保護(hù)。

 

直流電源的防雷電路使用TVS時(shí), 一般還需要與壓敏電阻等通流容量大的器件配合使用，如下圖所示：

TVS有單極性和雙極性之分，在單極性的信號電路和直流電源電路中, 選用單向TVS可以獲得比壓敏電阻低50%以上的殘壓?

 

TVS 的反向擊穿電壓? 通流容量是電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的? 

 

在直流回路中, TVS的反向擊穿電壓應(yīng)當(dāng)為 ：

 

VBR≈(1.8~2) Vdc 

 

式中, Vdc 為回路中的直流工作電壓? 

 

在信號回路中, TVS 的反向擊穿電壓應(yīng)當(dāng)為 ：

 

VBR≈(1.2~1.5) Vmax 

 

式中, Vmax 為信號回路的峰值電壓? 

 

TVS 主要可用于直流電源? 信號線路? 天饋線路的防雷保護(hù)? 

 

TVS的失效模式主要是短路? 但當(dāng)通過的過電流太大時(shí), 也可能造成因TVS被炸裂而開路的現(xiàn)象? 

 

3、典型應(yīng)用電路：

 

電路一：HDIM接口電路

 

 

 

電路二：高速Serdes

電路三：普通SPI接口

電路四：按鍵電路

電路五：USB3.0電路

TVS在電路中的應(yīng)用數(shù)不勝數(shù)，在EMC中的應(yīng)用就介紹到這里，此處只做拋磚引玉的作用，歡迎一起交流學(xué)習(xí)。