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文档简介
1、精选优质文档-倾情为你奉上TVS及其在电路设计详解0引言瞬态电压抑制器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
2、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VWMVWM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
3、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IPPIpp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1.21.4之间。实际使用时,应使Vc不
4、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PMPM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CTVS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
5、IRIR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
6、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1.11.2倍来选取TVS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
7、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
8、中的TVS箝位电压应不大于电路的最大允许电压。3.2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。3.3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. 3.4集成电路的保护由
9、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。3.5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。4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
10、,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的认识不断加深以及TVS所表现出来的优异性能,TVS器件最终将获得极为广泛的应用。问:(1)哪位能说说TVS二极管的用法和特性啊,小弟最近在摸索阶段,一般TVS接在哪里?一般TVS接在哪里?(1)用处较多,常用语静电放电抑制,雷击浪涌等,一般应该用在电路器件的脉冲入口(2)一般用于瞬态抑制,主要类型有两种:(1)防雷型TVS管:譬如P6SMBJ6.8CA,600W(10us/1000us测试
11、波形),通流量很大,反应速度小于1ns,但其寄生电容也很吓人,几百pF,一般用于RS422、RS485、CAN的后级防雷(前级用防电管);(2)防静电型TVS管:譬如SMJA15-8、SLV2.8-4,寄生电容小,通流量小(300W,8us/20us测试波形),反应速度一般为pS级,一般用于USB、DVI等室内设备的静电防护(热插拔)(3)TVS管的通过功率通常不大,我做过一些测试,如果浪涌直接加到TVS管,很容易吧TVS管打坏掉。而压敏电阻则没事。因此我感觉TVS管应该在控制电路PCB上使用,压敏电阻用在220V接口。(4)TVS通常是用来抑制一些瞬态大能量如静电、浪涌、冲击等,抑制静电时,
12、一般单独使用TVS就可以,但是,在抑制浪涌和冲击时,因为能量比较大,通常是用在防护电路的次级,防护电路初级通常为大通流的气体放电管、压敏电阻等,因为这些器件响应速度慢,会有很大的残压,所以次级用 TVS做精细保护,初级和次级防护器件中间通常使用电感和电阻退耦,一般电源上使用电感,不消耗能量,而信号线上使用电阻,防止电感对高频信号产生影响。(5)使用TVS时,通常需要关注关断电压、响应电压、箝位电压、最大通流量、响应时间、结电容、功率等。关断电压是指TVS不动作的电压,大于关断电压,TVS将逐渐响应;响应电压为TVS完全动作的电压,箝位电压为TVS动作后电压稳定值,通常情况下,两者分别取需要保护
13、工作电路电压的1.1倍和1.2倍左右,最大通流量需要考虑浪涌及冲击试验的等级,根据测试等级及发生器内阻做简单的估算,TVS响应时间都很小,通常为ns级,高速信号使用TVS时要考虑结电容,避免对高速信号产生影响,如百兆以太网TVS结电容不超过15pF等,TVS的功率为箝位电压与峰值电流(最大通流量)的乘积,通常TVS封装上会有如5KW等,这个就是指TVS的功率。(6)实际使用TVS时需要注意,其随温度结电容变化很大,而规格书上常温时的结电容没有意义,所以对速率比较高的信号,通常建议使用与二极管串联的TVS,降低结电容,另外TVS有单向的,也有双向的,一般厂家推荐单极信号如直流电源选单向的,平衡信
14、号如差分对选双向的,实际选用时,建议选双向的,首先两个价钱基本一样,其次静电浪涌冲击等都有正负两个极性,可以双向保护。(7)另外如果选择TVS时通流量不够,可以将两个TVS并联,此时通流量加倍,响应电压等不变,但如果TVS串联,响应电压增倍,同流容量不变,特别注意,此时的TVS要为同一厂家、同一型号、同一批次的产品,否则可能达不到想要的效果甚至会带来负面的影响。(8)TVS失效的模式是短路,这个可以用万用表进行简单的测量确定。前面说过TVS的用途,可以看出来,一般都是用在I/O 口或需要做静电的接口,另外在如复位等对静电敏感的信号线上也使用。(9)这两年市场上也出现了一种全新的TVS(见后面插图),具有传统TVS的所有特点,但通流量很大,可以在电路防护中代替初级防护器件如气体放电管和压敏电阻等,而且残压也很低,但是价钱特别贵,100RMB多一个,小型化设备对空间要求较高时可以使用,如果对空间要求不是很高,这种TVS的成本比传统的方案要高很多,没
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