瞬变电压抑制器浪涌寿命模型探讨

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 瞬变电压抑制器浪涌寿命模型探讨 摘 要： 瞬变电压抑制器 （TVS）的浪涌寿命是 TVS 使用方最为 关注的可靠性指标。在对 TVS 浪涌寿 命特点及其主要影响因素分析的基础上， 根据 Arrehenius 模型原理建立了 TVS 浪涌寿命与脉冲峰值电流倍数和环境温 度这两个主要影响因素的关系模型，基 于加速浪涌寿命试验数据确定了该模型 中待定系数的取值。鉴于 TVS 使用条 件可能与试验条件不同，采取调整系数 的办法对模型进行完善，通过理论计算 给出非试验波形调整系数的计算公式， 通过试验数据和 MIL?HDBK?217F 中 TVS 失效率模型调整系数给出了质量调 整系数和环境调整系数。试验数据表明 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 建立的 TVS 浪涌寿命模型比较客观地 反映了 TVS 的浪涌寿命与主要使用因 素的关系。 中国论文网 /8/view-12762703.htm 关键词： 瞬变电压抑制器； 浪 涌寿命； 模型； 调整系数 中图分类号： TN306?34； TN31 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（ 2014）09?0138?04 0 引 言 当今电子设备电磁兼容要求越来 越高，瞬态电磁脉冲的防护，除了传统 的屏蔽、滤波、接地等方法外，还常采 用旁路保护器件或电路。所谓旁路保护， 是对被保护对象并联一组保护器件或电 路，当电路中出现因电磁脉冲耦合产生 的瞬态过电压时，保护器件或电路先行 击穿，吸收电磁脉冲的大部分能量并转 化为其他形式，将被保护电路两端的电 压控制在其能承受的范围内。目前，电 子设备最常用的旁路保护器件是瞬变电 压抑制器 TVS（Transient Voltage -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 Suppressor） ，其性能较过去常用旁路保 护器件如压敏电阻等优越，其中最突出 的就是在脉冲持续时间内箝位电压随电 流变化微小，能经受瞬态脉冲的次数多， 且多次电压箝位后性能不变。而 TVS 能承受的瞬态脉冲次数自然成为 TVS 选用时重要的可靠性指标。因此，虽然 美军标 MIL?HDBK?217F 等可靠性预计 手册给出了 TVS 工作失效率模型1， 但不足以提供 TVS 选用时所需的可靠 性指标。自从 20 世纪 70 年代，美国国 家宇航局（NASA）提出浪涌寿命 （Surge Life）即平均失效前脉冲数这一 重要的 TVS 可靠性参数以来，国外著 名 TVS 生产厂商对其生产的 TVS 产品 浪涌寿命进行过大量的测试和研究2， 但均未曾建立 TVS 浪涌寿命与各种使 用因素的关系或模型，而国内对国产 TVS 浪涌寿命研究尚属空白。本文旨在 建立包括了 TVS 几种常见使用因素的 浪涌寿命模型。 1 TVS 浪涌寿命试验原理 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 TVS 浪涌寿命试验是选取一组同 一型号同一批次的 TVS 样品，对每只 样品采用一定时间间隔的序列脉冲对其 进行冲击直至失效，从而获得每只样品 失效前脉冲次数和这组样品平均失效前 脉冲数。试验时两次脉冲的时间间隔以 不存在前次脉冲的热积累为标准。试验 时采用的脉冲为标准指数波3，如图 1 所示，可用脉冲电流从 10%IPP（IPP为 脉冲峰值电流）上升到 90%IPP的时间 tr和脉冲电流衰减到 50%IPP的时间 tp来定义。例如 tr为 10 s，tp 为 1 ms 的标准指数波称为 10 s/1 ms 标准指 数波或简称 1 ms 标准指数波，这是 TVS 额定脉冲峰值功率或电流定义、箝 位电压测试和浪涌寿命试验最常用的波 形。 图 1 标准指数波的波形 TVS 浪涌寿命试验电路可采用箝 位电压测试仪实现，其电路原理如图 2 所示4。图中 G 是标准指数脉冲发生 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 器，当开关S闭合时，能产生一次标准 指数脉冲。 图 2 浪涌寿命试验电路 2 TVS 浪涌寿命模型的建立 2.1 模型理论分析 TVS 浪涌寿命最主要的影响因素 是试验脉冲峰值电流相对 TVS 额定脉 冲峰值IPP的比值（以下简称脉冲峰值 电流倍数）和试验时环境温度。试验脉 冲峰值电流倍数越大，TVS 浪涌寿命值 越小；试验时环境温度越高 TVS 浪涌 寿命值也越小。通常，Arrehenius 模型 5能较好地反应元器件寿命与温度应力 和电应力的关系。该模型常用于建立失 效寿命与应力的关系，但也可用于建立 交变疲劳寿命次数与应力的关系。该模 型于 19 世纪由 Arrehenius 从化学实验 的经验总结出来：反应速率与激活能的 指数成反比，与温度倒数的指数成线性 关系，用数学公式可表示为： dMdt=Ae-E（kT） （1） -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 式中：M为元器件某特征值或 退化量；dMdt表示温度在T（热力学 温度）时的反应速率；A为系数；E 为反应的激活能，单位为 eV；k 为玻 尔兹曼常数，k=0.861 710-4 eV/K。 如果除考虑激活能，还考虑温度 以外的应力S，则该模型可表示为： dMdt=Ae-E（kT）?Sc （2） 式中c为待定系数。 在本研究中t 指浪涌次数 N，S 为 试验时脉冲峰值电流倍数，用I表示， 因此将式（2）变为： dMdN=Ae-E（kT）?Ic （3） 对式（3）两边积分，变形可得： lnN=lnMA+EkT-clnI （4） 令a=lnMA，b=Ek，则式 （4）变为： lnN=a+bT-clnI （5） 即： N=exp（a+bT ）?I-c （6） 式（5）或式（6）反映了 TVS -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 浪涌寿命与脉冲峰值电流倍数、温度的 关系，其中a，b，c三个待定系数 可通过试验数据代入公式中计算得到。 从式（5）可以看出如果试验时脉冲峰 值电流倍数不变，浪涌寿命的对数与绝 对温度的倒数成线性关系，在半对数坐 标纸上为一条直线，直线斜率即为b值。 如果试验时温度不变，浪涌寿命的对数 与脉冲峰值电流的对数成线性关系，在 对数坐标纸上为一条直线，直线斜率即 为-c值。 2.2 实验方案设计和 试验结果 为确定式（5）或式（6）中a， b，c三个待定系数的值，以及验证 TVS 浪涌寿命与式（5）或式（6）的符 合性，需具有 TVS 在不同环境温度、 不同峰值电流倍数下的浪涌寿命数据。 由于常温下脉冲峰值电流倍数为 1 时， TVS 能承受的脉冲次数可达上万次6， 因此采取加速浪涌寿命试验获得所需数 据。选取脉冲峰值电流倍数和试验环境 温度作为加速因子。加速因子大小的选 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 择须以不改变失效机理为前提7。对经 受多次浪涌冲击后耗损失效的 TVS 器 件进行了失效分析，发现失效模式为短 路，失效部位通常在结表面边缘，失效 机理可能是结边缘焊料形成金属化合物 而脆化，使管芯与底座热沉逐渐分离， 降低了结边缘的散热能力，一段时间以 后结温持续增大，导致器件过热烧毁。 通常，TVS 实际脉冲峰值功率小于额定 脉冲峰值功率，其失效属耗损失效。因 此，加速因子不能过大使实际脉冲峰值 功率超出额定脉冲峰值功率。 试验样品选择额定脉冲峰值功率 为 1 500 W（目前国产可靠性较高 TVS 通常采用金属气密封装或玻璃封装，额 定脉冲峰值功率为 1 500 W） ，质量等级 分别为特军级、超特军级和普军级，型 号分别为 SY5658、SY5646A 和 SY5665A 的金属气密封装国产 TVS 产 品。额定脉冲峰值功率相同的 TVS 系 列产品在相同温度和相同脉冲下实际峰 值功率相同。表 1 是额定脉冲峰值功率 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 为 1 500 W 的 TVS 在 25 ，40 ，60 三个不同温度点下，施加脉冲峰值电 流不同的 1 ms 标准指数脉冲时脉冲峰 值功率的值（脉冲峰值电流与相应箝位 电压的乘积） 。 表 1 峰值功率为 1 500 W 的 TVS 在三个温度下 加不同脉冲峰值电流时的实际脉 冲峰值功率 W 脉冲峰值电流 IPP /A&环境温度 / &25&40&60&1&1 045&1 200&1 400&1.25&1 322&1 470&-&1.4&1 484&-&- & 由表（1）可确定试验时可施加 的 1 ms 标准指数波的脉冲峰值电流最 大值和相应的最高温度。由此，制定了 TVS 加速浪涌寿命试验方案，见表 2。 2.3 试验数据处理和基本模型的 建立 由式（5）的分析可知，利用 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 SY5658 在I=1时三组试验数据拟合可 得到一条直线，直线斜率即为b值，在 纵轴上的截距为a值。图 3（a）是用数 学软件 Matlab 拟合的结果，同时可得 a=-11.11，b=6 088，E=bk=6 088 0.861 710-4=0.58。利用 SY5658 在I= 1.25 时两组试验数据可得到图 3（a）上 另一条直线。由图 3（a ）可见这两条直 线近似平行，说明a、b的取值与 TVS 浪涌寿命的符合性较好。 由式（5）的分析还可知，利用 SY5658 在环境温度为 25 （即T= 298 K）时三组试验数据拟合可得到一 条直线，直线的斜率即为-c值。图 3（b）是用 Matlab 拟合的结果，同时 可得c=16.13。利用 SY5658 在 40 （即T=313 K）时两组试验数据可得 到图 3（b）上另一条直线。由图 3（b）可见这两条直线近似平行，说明 c的取值与 TVS 浪涌寿命的符合性较 好。 将a ， b，c值代入式（6）可 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 得 TVS 浪涌寿命基本模型为： N=exp-11.11+6 088T?I-16.13 （7） 图 3 Matlab 仿真图 2.4 模型的调整 TVS 实际应用中，TVS 质量等级、 使用环境、承受的瞬态脉冲的波形、持 续时间等可能与试验情况不同，TVS 浪 涌寿命也会有所变化。可通过在基本模 型的基础上乘一系列的调整系数的办法 对模型进行完善，使模型适合实际应用。 2.4.1 脉冲波形调整系数 TVS 在不同的时间内所能承受的 能量不同，额定脉冲峰值电流（定义波 形为标准指数波）也不同。对于 TVS 实际应用中承受波形为标准指数波，但 持续时间tp 不为 1 ms 的情形，带入模 型计算的脉冲峰值电流倍数应是 TVS 实际承受的脉冲峰值电流与脉冲时间为 tp时额定脉冲峰值电流的比值。而 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 TVS 产品手册通常只给出脉冲时间为 1 ms 时额定脉冲峰值电流，可先计算 TVS 实际承受的脉冲峰值电流与脉冲时 间为 1 ms 时额定脉冲峰值电流的比值 I，再计算脉冲时间为 1 ms 时额定脉 冲峰值电流与脉冲时间为tp时额定峰 值电流的比值d1。 这样可得 TVS 实际 承受的脉冲峰值电流与脉冲时间为tp 时额定脉冲峰值电流的比值即为d1?I。其 中d1的计算方法可由 TVS 脉冲峰值功 率与持续时间的关系推算出来，该关系 如图 4 所示8，由该关系可得持续时间 为 1 ms 时额定脉冲峰值功率与持续时 间为tp时额定脉冲峰值功率的比值为 0.423-lg tp，其中tp 单位为 s。这同 时也是持续时间为 1 ms 时额定脉冲峰 值电流与持续时间为tp 时额定脉冲峰 值电流的比值（因为 TVS 箝位电压随 电流变化极微小） ，因此d1=0.423-lg tp。 图 4 TVS 脉冲峰值功率与脉冲持 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 续时间的关系 对于脉冲时间为tp的非标准指 数脉冲波，首先需转换成与其持续时间 相等的等能量（TVS 承受的脉冲能量的 计算方法为脉冲电流对时间积分再乘以 箝位电压）的标准指数波，计算转化后 标准指数波脉冲峰值电流与原脉冲峰值 电流的比值d2， 再计算原脉冲峰值电 流与脉冲时间为tp 时额定峰值电流的 比值d1?I。这样可得转化后标准脉冲 峰值电流与脉冲时间为tp时额定脉冲 峰值电流的比值为d1?d2?I。因此，可 将式（6）调整为： N=expa+bT?（d1?d2?I ） - c=KI?expa+bT?I-c （8） 式中KI=（d1?d2）-c，称为脉 冲波形调整系数。其中常见脉冲波形及 按脉冲能量相等的原则转化后脉冲峰值 电流与原脉冲峰值的比值d2如图 5 所 示。 图 5 各种波形及转化系数 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 2.4.2 质量调整系数和环境调整 系数 TVS 质量等级不同、使用环境不 同的情况，可用