TVS 管性能及选型-基础电子

精品文档-下载后可编辑TVS管性能及选型-基础电子一．TVS管概述TVS（TransientVoltageSuppressor）瞬态电压抑制器。当两极受到反向瞬态高能量冲击时，能以10的负12次方秒量级的速度，将两极间的高阻抗变为低阻抗，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件。在浪涌电压作用下，TVS两极间的电压由额定反向关断电压VWM上升到击穿电压VBR，而被击穿，随着击穿电流的出现，流过TVS的电流将达到峰值脉冲电流IPP，同时在其两端的电压被钳位到预定的大钳位电压VC以下，其后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS两极间的电压也不断下降，后恢复到初态；TVS管有单向与双向之分，单向TVS管的特性与稳压二极管相似，双向TVS管的特性相当于两个稳压二极管反向串联。

二．其主要特性参数1、反向截止电压VRWM与反向漏电流IR：反向截止电压VRWM表示TVS管不导通的高电压，在这个电压下只有很小的反向漏电流IR。2、击穿电压VBR：TVS管通过规定的测试电流时的电压，这是表示TVS管导通的标志电压。3、脉冲峰值电流IPP：TVS管允许通过的10/1000μs波的大峰值电流（8/20μs波的峰值电流约为其5倍左右），超过这个电流值就可能造成性损坏。在同一个系列中，击穿电压越高的管子允许通过的峰值电流越小，一般是几A～几十A。4、大箝位电压VC：TVS管流过脉冲峰值电流IPP时两端所呈现的电压。5、脉冲峰值功率Pm：脉冲峰值功率Pm是指10/1000μs波的脉冲峰值电流IPP与大箝位电压VC的乘积，即Pm=IPP*VC；在给定的大钳位电压下，功耗PM越大，其浪涌电流承受能力越大，在给定的功耗PM下，钳位电压越低，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，持续时间和环境温度有关：典型的脉冲波形持续时间为1ms，当施加到二极管上的脉冲波形持续时间小于TP，则随着TP的减小脉冲峰值功率增加；TVS所能承受的瞬态脉冲式不重复的，如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积可能损坏TVS。6、稳态功率P0：TVS管也可以作稳压二极管用，这时要使用稳态功率。7、极间电容Cj：与压敏电阻一样，TVS管的极间电容Cj也较大，且单向的比双向的大，功率越大的电容也越大，极间电容会影响TVS的响应时间。8、峰值电流波形：A、正弦半波B、矩形波C、标准波（指数波形）D、三角波TVS峰值电流的试验波形采用标准波（指数波形），由TR/TP决定。峰值电流上升时间TR:电流从0.1IPP开始达到0.9IPP的时间。半峰值电流时间TP：电流从零开始通过大峰值后，下降到0.5IPP值的时间。下面列出典型试验波形的TR/TP值：EMP波：10ns/1000ns闪电波：8μs/20μs标准波：10μs/1000μs三．优点及缺点优点：响应速度快（为ns级）、瞬态功率大、漏电流低；其10/1000μs波脉冲功率从400W～30KW，脉冲峰值电流从0、52A～544A；击穿电压有从6、8V～550V的系列值，便于各种不同电压的电路使用。缺点：耐浪涌冲击能力较放电管和压敏电阻差；稳压二极管：反应较慢；一般用于电压要求高的地方（一般较小），防浪涌，击穿电压精准，各压值档都有；齐纳击穿；压敏电阻：与稳压二极管相似，但不可恢复；四．选型依据及注意事项：1、TVS的大反向钳位电压VC应小于被保护电路的损坏电压；2、TVS的额定反向关断电压VWM要大于或等于被保护电路的大工作电压，若选用的VWM太低，器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作；串行连接分电压，并行连接分电流。3、交流电压只能用双向TVS；4、在规定的脉冲持续时间内，TVS的大峰值脉冲功率PM必须大于被保护电路可能出现的峰值脉冲功率，在确定了大钳位电压后，其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流；5、结电容是影响TVS在高速线路中使用的关键因素，在这种情况下，一般用一个TVS管和一个快恢复二极管以背对背的方式连接，由于快恢复二极管有较小的结电容，因而二者串联的等小电容也较小，可以满足高频使用的要求；6、需要考虑降额使用的应用；应用场合：功率开关电路；整流二极管（与之同向）；电源变压器；防直流电源反接或电源通断时产生的瞬时脉冲；抑制电机，断电器线圈，螺线管等感性负载产生的瞬时脉冲电压；控制系统的输入输出端；7、确定被保护电路的大直流或连续工作电压、电路的额定标准电压和“高端”容限。8、对于数据接口电路的保护，还必须注意选取具有合适寄生电容的TVS器件。9、根据用途选用TVS的极性及封装结构。交流电路选用双极性TVS较为合理；多线保护选用TVS阵列更为有利。10、温度考虑。瞬态电压抑制器可以在－55℃～+150℃之间工作。如果需要TVS在一个变化的温度工作，由于其反向漏电流ID是随增加而增大；功耗随TVS结温增加而下降，从+25℃～+175℃，大约线性下降50％与击穿电压VBR随温度的增加按一定的系数增加。因此，必须查阅有关产品资料，考虑温度变化对其特性的影响。11、处理瞬时脉冲对元件损害的好办法是将瞬时电流从感应元件引开。TVS二极管在线路板上与被保护线路并联，当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TVS二极管便产生雪崩，提供给瞬时电流一个超低电阻通路，其结果是瞬时电流透过二极管被引开，避开被保护元件，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。当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管自动回复高阻状态，整个回路进入正常电压。许多元件在承受多次冲击后，其参数及性能会产生退化，而只要工作在限定范围内，二极管将不会产生损坏或退化。使用注意事项：1、对瞬变电压的吸收功率峰值与瞬变电压脉冲宽度间的关系，手册给的只是特定脉宽下的吸收功率峰值，实际线路中的脉冲宽度则变化莫测，事前要有估计，对宽脉冲应降额使用；2、对小电流负载的保护，可有意识地在电路中增加限流电阻，只要限流电阻的阻值合适，不会影响线路的正常工作，但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小，这就有可能选用峰值功率较小的TVS管来对小电流负载电路进行保护；3、对重复出现的瞬变电压的抑制，要注意TVS管的稳态平均功率是否在安全范围之内；4、环境温度升高时要降额使用，TVS管的引线长短，它与被保护线路的相对距离；五．应用举例直流电路中选用举例：整机直流工作电压12V，大允许安全电压25V（峰值），浪涌源的阻抗50MΩ，其干扰波形为方波，TP=1ms，大峰值电流50A。选择：1、先从工作电压12V选取大反向工作电压VRWM为13V，则击穿电压为V（BR）=VRWM/0.85=15.3V；2、从击穿电压值选取大箝位电压VC（MAX）=1.30×V(BR)=19.89V，取VC=20V；3、再从箝位电压VC和峰值电流IP计算出方波脉冲峰值功率：PPR=VC×IP=20×50=1000W4、计算折合为TP=1MS指数波的峰值功率，折合系数K1=1.4，PPR=1000W÷1.4=715W交流电路选用举例：直流线路采用单向瞬变电压抑制二极管，交流则必须采用双向瞬变电压抑制二极管。交流是电网电压，这里产生的瞬变电压是随机的，有时还遇到雷击（雷电感应产生的瞬变电压）所以很难定量估算出瞬时脉冲功率PPR。但是对大反向工作电压必须有正确的选取。一般原则是交流电压乘1.4倍来选取TVS管的大反向工作电压。直流电压则按1.1—1.2倍来选取TVS管的大反向工作电压VRWM。TVS保护直流稳压电源实例：一个直流稳压电源，并有扩大电流输出的晶体管，在其稳压输出端加上瞬变电压抑制二极管，可以保护使用该电源的仪器设备，同时还可图中是一个直流稳压电源，并有扩大电流输出的晶体管，在其稳压输出端加上瞬变电压抑制二极管，可以保护使用该电源的仪器设备，同时还可以吸收电路中的集电极到发射极间的峰值电压，保护晶体管，建议在每个稳压电源输出端加一个TVS管，可以大幅度提高整机应用的可靠性；还有用TVS保护晶体管，集成电路，可控硅，功率MOS管（在栅源之间加上瞬变电压抑制二极管，可防止栅极击穿），继电器等；继电器的触点往往用大电流去开关电动机等大电流电感负载，而电感在开关时有很高的反电势，而且有较大的能量，往往把触点烧坏或击穿产生电弧等，必须对触点采取保护，抑制电弧的产生，以保护继电器。但是这种电弧产生的浪涌电流很大，过去采用电容或者用电容串联电阻、二极管、二极管串联电阻等抑制方案，现在采用瞬变电压抑制二极管方案效果更好。注意，TVS管的寄生电容可能影响信号完整性，可以使用压敏电阻放在变压器抽头，作为防护电路，支持更高速率的网口设计。六、压敏电阻VSTVS管1、材料本征响应时间由上面的导通机理分析可以知道，氧化锌压敏陶瓷导电机理是隧道击穿，所以其材料响应时间就是其隧道电子击穿时间，一般为0.3ns。TVS管导电机理是雪崩击穿，其响应时间就是其雪崩电子击穿时间，一般在0.5~1ns之间。2、产品结构对响应时间影响片式氧化锌压敏电阻器采用多层独石结构，其寄生电感非常小，对其响应时间影响甚微，有些设计人员谈到的压敏电阻响应时间慢主要指用于AC端防浪涌的插件压敏电阻，因为较长的引线引入寄生的电感导致响应时间较慢（25ns）。而TVS管为了SMT要求，在其两端设计电极引线，也会产生寄生电感，对其响应时间有一定影响。而ESD放电波形一般在1nS达到峰值这就需要过电压防护器件在1nS内迅速响应，钳制过电压，保护IC和ESD敏感线路。从响应时间看，片式压敏电阻和TVS的响应时间都满足ESD防护的需求，从而起到良好的防护效果。综合以上分析和对比，片式氧化锌压敏陶瓷电阻和TVS管均是抑制ESD的有效器件，TVS管限制电压较低，瞬态内阻较小，适合应用于耐ESD电压特别差或者被保护部位阻抗特别小的部位(如听筒，MIC,音频等)。而压敏电阻的吸收能量的能力比TVS管要强，除了一般的ESD防护，也特别适合于电源部位和较大瞬态能量的部位过压防护。在响应时间方面，要避免陷入片式氧化锌压敏陶瓷电阻的响应时间慢的误区。由于工艺的差异，片式压敏电阻的价格要远低于TVS，表现出良好的性价比，设计人员可以根据电路的实际应用灵活选择片式压敏电阻或者TVS。TVS是半导体保护器件，具有响应速度快，可靠性高的优点。弱点一是无法承受太大的瞬间电流，二是其箝位电压随着电流增加而增加。特别适合于不需要旁路大能量的低电压场合应用。示例电路如下：压敏电阻的突破承载取决于它的物理尺寸，因而可以获得较高的浪涌电流值。其箝位特性使他可以为AC或DC电源线应用中作为瞬态保护元件。压敏电阻的价格较为低廉。相比TVS二极管它的缺点是寄生电容较大，响应时间较慢，离散性大。另外，压敏电阻会产生蜕化，因此存在可靠性和性能问题。实例电路AC200V电源防雷：DC12V/24V电源防雷：7、陶瓷气体放电管VSTVS陶瓷气体放电管（GASTUBE）：主要用于线路中的防雷和过压保护。气体放电管指作过电压保护用的避雷管或天线开关管一类，管内有二个或多个电极，充有一定量的惰性气体。气体放电管是一种间隙式的防雷保护元件，它用在通信系统的防雷保护。当外加电压增大到超过气体的绝缘强度时，两极间的间隙将放电击穿，由原来的绝缘状态转化为导电状态，导通后放电管两极之间的电压维持在放电弧道所决定的残压水平。GDT的特点是大通流量、高耐压值、极低的结间电容。缺点是多次工作后性能下降需要更换，并且在有源接口应用时必须要注意维持电压或者续流问题，因此一般也多配合压敏电阻使用。8、电压开关型瞬态抑制二极管（TSS）VSTVS电压开关型瞬态抑制二极管（TSS，ThyristorSurgeSuppressor）与TVS管相同，也是利用半导体工艺制成的限压保护器件，但其工作原理与气体放电管类似，而与压敏电阻和TVS管不同。当TSS管两端的过电压超过TSS管的击穿电压时，TSS管将把过电压钳位到比击穿电压更低的接近0V的水平上，之后TSS管持续这种短路状态，直到流过TSS管的过电流降到临界值以下后，TSS恢复开路状态。TSS是电压开关型瞬态抑制二极管，就是涌抑制晶体管，或者叫做导体放电管，固体放电管等等。TSS管是利用半导体工艺制成的保护器件，主要用于信号电路的防雷保护。不能用在电源端口。TSS器件的通流容量一般高可达到150A（8/20uS）。TSS管和TVS管都是利用半导体工艺制成的限压保护器件，TSS管是电压开关型的。TVS是电压钳位型的。TSS管在响应时间，结电容方面与TVS管是相同特点，易于制成表贴器件，很适合在单板上使用。TSS管适合于信号电平较高的信号电路保护。TSS管在响应时间、结电容方面具有与TVS管相同的特点。易于制成表贴器件，很适合在单板上使用，TSS管动作后，将过电压从击穿电压值附近下拉到接近0V的水平，这时二极管的结压降小，所以用于信号电平较高的线路（例如：模拟用户线、ADSL等）保护时通流量比TVS管大，保护效果也比TVS管好。TSS适合于信号电平较高的信号线路的保护。在使用TSS管时需要注意的一个问题是：TSS管在过电压作用下击穿后