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本文主要介紹防浪涌電路中的元器件之TSS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TSS的工作原理。

 

TSS(Thyristor Surge Suppressors)，浪涌抑制晶閘管，或稱半導(dǎo)體放電管、固體放電管等。

 

是一種電壓開關(guān)型瞬態(tài)抑制二極管，采用半導(dǎo)體工藝制成的PNPN結(jié)四層結(jié)構(gòu)。

 

其電路符號如下所示：

也有如下的電路符號：

 

它主要通過瞬間吸收和分散電路中的高能量瞬態(tài)過電壓，從而保護(hù)電路中的敏感組件。

 

TSS的類型眾多，主要包括二極管型、三極管型、硅控型等。

 

不同類型的TSS具有不同的電壓、電流以及響應(yīng)時間特性。

 

如二極管型TSS具有快速響應(yīng)時間，適合于處理高速信號線的保護(hù)。

 

而硅控型TSS則因其較大的電流承受能力，常用于電源線路的保護(hù)。

 

從圖上看出，TSS也有不同的封裝，有貼片式的SMA\SMB\SMD封裝、直插的TO封裝，還有芯片式的SOP封裝（一般用于專用接口），如下圖所示：

 

其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：

 

TSS當(dāng)感應(yīng)雷、操作過電壓等出現(xiàn)異常過電壓時，迅速導(dǎo)通，形成低阻態(tài)，將過電壓導(dǎo)入地線，電壓鉗位到接近于0，保護(hù)后續(xù)電路。

 

TSS持續(xù)這種短路狀態(tài)，直到流過TSS的過電流降到臨界值以下后, TSS 才恢復(fù)開路狀態(tài)，不影響正常電路的工作。

 

TSS的伏安特性和開關(guān)特性如下圖所示：

 

從圖中可以看出，TSS的開關(guān)特性包含四個區(qū)域：斷態(tài)區(qū)、擊穿區(qū)、負(fù)電阻區(qū)和通態(tài)區(qū)。

 

下面我們先來解釋一下這幾個區(qū)：

 

斷態(tài)區(qū)：

 

是電壓—電流特性的高電阻、低電流區(qū)。

 

該區(qū)域從原點延伸至擊穿起始點。

 

斷態(tài)電流是結(jié)反向電流和所有表面漏電流的綜合，在該區(qū)可施加反向截止電壓（VDRM）測量TSS的漏電流（IDRM）。

 

擊穿區(qū)：

 

擊穿區(qū)是電壓—電流特性的低電阻、高電壓區(qū)域。

 

該區(qū)域是從電壓—電流特性的高動態(tài)電阻的低電流部分開始變化，至顯著的低動態(tài)電阻區(qū)、電流劇增的區(qū)域。

 

最終當(dāng)TSS電壓出現(xiàn)足以激活開通時，該區(qū)域終止。

 

負(fù)電阻區(qū)：

 

負(fù)電阻區(qū)表示從擊穿區(qū)開關(guān)點到通態(tài)狀態(tài)的軌跡。

 

該區(qū)域是一個動態(tài)狀態(tài)，TSS管正反饋隨時間而增加導(dǎo)致電流增加，這引起TSS兩端的電壓降低，直至達(dá)到通態(tài)狀態(tài)。

 

通態(tài)區(qū)：

 

通態(tài)區(qū)是電壓—電流特性的低電阻、高電流部分。

 

在通態(tài)狀態(tài)時，完全正反饋的晶閘管通過的電流產(chǎn)生最低電壓降。

 

剛好維持通態(tài)的最小電流定義為維持電流（IH），低于該電流會導(dǎo)致TSS關(guān)斷。

 

熟悉了TSS的四個區(qū)域，我們先來熟悉一下TSS伏安特性所涉及到的幾個電氣參數(shù)。

 

如下圖表為某品牌某系列的TSS電氣參數(shù)列表：

 

反向截止電壓（Peak Off-state Voltage）VDRM：也稱斷態(tài)重復(fù)峰值電壓，是TSS保持關(guān)斷的最大電壓。

 

也是斷態(tài)時刻施加的包含所有直流和重復(fù)性電壓分量的額定最高（峰值）瞬時電壓。

 

VDRM一般要大于信號正常工作電壓，小于被保護(hù)器件的最大極限電壓。

 

以下是VDRM的測試電路示意圖：

 

反向最大漏電流（Off-state current）IDRM：也稱斷態(tài)重復(fù)峰值電流，是指施加斷態(tài)重復(fù)峰值電壓VDRM產(chǎn)生的最大（峰值）斷態(tài)電流。

 

開關(guān)電壓（Switching Voltage）VS：器件轉(zhuǎn)換進(jìn)入通態(tài)前，在擊穿區(qū)終點時器件兩端的瞬時電壓。

 

VS一般也要大于信號正常工作電壓，小于被保護(hù)器件的最大極限電壓。

 

該值有的是在100KV/s的條件下測得，有的是在100V/us的條件下測得。

 

另外，該值會隨著結(jié)溫的變化而變化，手冊中的VS一般是在25℃的溫度下測得。

 

下面是VS的變化率隨結(jié)溫的變化曲線：

 

從圖上可以看出，TSS結(jié)溫越高，VS變大。

 

維持電流（Holding current）IH：維持晶閘管通態(tài)的最小陽極電流（最小主電流或最小晶閘管電流）。

 

開關(guān)電流（Switching current）IS：在開關(guān)電壓VS條件下流過器件的瞬時電流。

 

通態(tài)電流（On-state current）IT：在通態(tài)條件下，流過器件的電流。

 

IT一般要大于芯片正常工作電流。

 

通態(tài)電壓（On-state voltage）VT：在規(guī)定通態(tài)電流IT條件下器件兩端電壓。

 

VT一般小于被保護(hù)器件的最大極限電壓。

 

關(guān)斷電容（Off-state capacitance）CO/CJ：通常是在關(guān)斷條件下，特定頻率和電壓下（一般為1MHz@2VDC）測得到的TSS的結(jié)電容及其它雜散電容。

 

除了以上還有如以下圖表中的一些電氣參數(shù)：

 

以上典型的參數(shù)如：

 

峰值脈沖電壓（Peak Pulse Voltage）VPP：給定波形下TSS可通過的最大峰值脈沖電壓值。

 

VPP常采用10/700μs電壓波進(jìn)行測量， 電壓值對應(yīng)2kV，4kV，6kV等。

 

峰值脈沖電流（Peak Pulse Current）IPP ：給定波形下TSS可通過的最大峰值脈沖電流。

 

IPP還可采用8/20μs、 10/1000μs 等波形來測量，不同的波形IPP對應(yīng)不同的數(shù)值。

 

有以下常用沖擊電流波形：

以上波形在前面介紹其它抗浪涌器件中都已經(jīng)描述過，此處不做贅述。

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

 

2、TVS 使用時的注意事項：

 

TSS的工作原理與氣體放電管類似, 而與壓敏電阻和TVS不同? 

 

有關(guān)氣體放電管、壓敏電阻和TVS的介紹，可以參考我前面的文章《EMC相關(guān)器件簡介——防浪涌電路中的元器件之氣體放電管》、《EMC相關(guān)器件簡介——防浪涌電路中的元器件之TVS》和《EMC相關(guān)器件簡介——防浪涌電路中的元器件之壓敏電阻》。

 

TSS 在響應(yīng)時間? 結(jié)電容方面具有與TVS類似的特點, 易于制成表貼器件, 很適合在單板上使用?

 

TSS動作后, 將過電壓從擊穿電壓值附近下拉到接近0V的水平? 

 

這時二極管的結(jié)壓降低, 所以常用于信號電平較高的線路 (如模擬用戶線? ADSL等) 保護(hù)時通流量比TVS 大, 保護(hù)效果也比TVS好? 

 

TSS適合于信號電平較高的信號線路的保護(hù)? 

 

在使用TSS時需要注意的一個問題是: 

 

TSS在過電壓作用下被擊穿后, 當(dāng)流過TSS的電流值下降到臨界值以下后, TSS才恢復(fù)開路狀態(tài), 因此TSS在信號線路中使用時, 信號線路的常態(tài)電流應(yīng)小于TSS的臨界恢復(fù)電流?

 

選型時還有以下一些事項要注意。

 

反向截止電壓（VDRM）:

 

TSS的反向截止電壓VDRM應(yīng)大于被保護(hù)電路的最大工作電壓，否則TSS不僅會影響被保護(hù)電路的正常工作，還會影響TSS的使用壽命。

 

TSS的續(xù)流問題:

 

TSS是一種開關(guān)型過電壓保護(hù)器件，導(dǎo)通后電壓較低，不能單獨應(yīng)用于較高的電源線保護(hù)。

 

常說的TSS會續(xù)流，是指TSS在導(dǎo)通后，如果被保護(hù)的線路電壓高于TSS的通態(tài)電壓，流過TSS的電流高于TSS的維持電流，TSS會一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。

 

TSS長時間通過安培級別的大電流，會對電路造成損壞。

 

封裝形式：

 

根據(jù)電路設(shè)計布局選擇合適的封裝形式。

 

TSS器件封裝的大小從一定程度上可以反映器件的防護(hù)等級大小，一般封裝越大的器件耐沖擊電流的能力也越大，防護(hù)等級也越高，反之亦然。

 

封裝有貼片、插件和陣列式封裝。

 

結(jié)電容：

 

TSS結(jié)電容一般從幾十到一百多皮法，不建議用在高速電路中。

 

另外，TSS 的失效模式主要是短路? 但當(dāng)通過的過電流太大時, 也可能造成TSS被炸裂而開路，使用時要特別注意? 

   

3、舉例

 

TSS 較多應(yīng)用于信號線路的防雷保護(hù)，廣泛應(yīng)用于通信、安防、工業(yè)等電子產(chǎn)品的通信線保護(hù)。

 

典型應(yīng)用電路：

 

電路一：典型應(yīng)用，BNC接口保護(hù)

電路二：RS485接口電路

電路三：視頻接口防雷設(shè)計

電路四：以太網(wǎng)接口防雷設(shè)計

電路五：CAN電路

電路五：其它電路