TVS選型，讓新人老人都能得心應(yīng)手
[導(dǎo)讀]提到TVS，相信大部分電子工程師都知道，它是用來(lái)端口防護(hù)的，防止端口瞬間的電壓沖擊造成后級(jí)電路的損壞。雖然TVS在電路中具有舉足輕重的地位，但針對(duì)TVS的選型過(guò)程，很多廠家都是直接給推薦電路，直接告訴設(shè)計(jì)者答案“你應(yīng)該選擇哪個(gè)器件”，卻很少對(duì)選型過(guò)程提供理論計(jì)算。而大部分電子工程...
提到TVS，相信大部分電子工程師都知道，它是用來(lái)端口防護(hù)的，防止端口瞬間的電壓沖擊造成后級(jí)電路的損壞。
雖然TVS在電路中具有舉足輕重的地位，但針對(duì)TVS的選型過(guò)程，很多廠家都是直接給推薦電路，直接告訴設(shè)計(jì)者答案“你應(yīng)該選擇哪個(gè)器件”，卻很少對(duì)選型過(guò)程提供理論計(jì)算。
而大部分電子工程師在對(duì)面TVS選型的時(shí)候，新人憑參考，老人憑經(jīng)驗(yàn)，一旦更換廠家或者更換測(cè)試條件，就無(wú)從下手了……本文就專門(mén)解決這一問(wèn)題，讓新人老人對(duì)TVS選型都能得心應(yīng)手。
都是限制個(gè)電壓，為何人家的選型就比我優(yōu)秀？
1、工作原理
TVS（Transient Voltage Suppressors），即瞬態(tài)電壓抑制器，又稱雪崩擊穿二極管。它是采用半導(dǎo)體工藝制成的單個(gè)PN結(jié)，或多個(gè)PN結(jié)集成的器件。
TVS有單向與雙向之分：?jiǎn)蜗騎VS一般應(yīng)用于直流供電電路；雙向TVS應(yīng)用于電壓交變的電路。
如圖1所示，應(yīng)用于直流電路時(shí)單向TVS反向并聯(lián)于電路中，當(dāng)電路正常工作時(shí)，TVS處于截止?fàn)顟B(tài)（高阻態(tài)），不影響電路正常工作。
當(dāng)電路出現(xiàn)異常過(guò)電壓并達(dá)到TVS（雪崩）擊穿電壓時(shí)，TVS迅速由高電阻狀態(tài)突變?yōu)榈碗娮锠顟B(tài)，泄放由異常過(guò)電壓導(dǎo)致的瞬時(shí)過(guò)電流到地，同時(shí)把異常過(guò)電壓鉗制在較低的水平，從而保護(hù)后級(jí)電路免遭異常過(guò)電壓的損壞。
當(dāng)異常過(guò)電壓消失后，TVS阻值又恢復(fù)為高阻態(tài)。
圖1：TVS工作原理
2、關(guān)鍵參數(shù)
工欲善其事，必先利其器，要用好TVS，必須先了解其關(guān)鍵的參數(shù)。（1）Vrwm截止電壓TVS的最高工作電壓，可連續(xù)施加而不引起TVS劣化或損壞的最高工作峰值電壓或直流峰值電壓。對(duì)于交流電壓，用最高工作電壓有效值表示，在V RWM 下，TVS認(rèn)為是不工作的，即是不導(dǎo)通的。換一句話，電路的最高工作電壓必須小于Vrwm，否則將會(huì)導(dǎo)致TVS動(dòng)作導(dǎo)致電路異常。（2）I R漏電流漏電流，也稱待機(jī)電流。在規(guī)定溫度和最高工作電壓條件下，流過(guò)TVS的最大電流。TVS的漏電流一般是在截止電壓下測(cè)量，對(duì)于某一型號(hào)TVS，I R應(yīng)在規(guī)定值范圍內(nèi)。對(duì)TVS兩端施加電壓值為 V RWM ，從電流表中讀出的電流值即為T(mén)VS的漏電流 I R。對(duì)于同功率和同電壓的TVS，在V RWM ≤10V 時(shí)，雙向TVS漏電流是單向TVS漏電流的2倍。對(duì)于一些模擬端口，漏電流會(huì)影響AD的采樣值，所以TVS的漏電流越小越好。（3）VBR擊穿電壓擊穿電壓，指在V-I特性曲線上，在規(guī)定的脈沖直流電流I T或接近發(fā)生雪崩的電流條件下測(cè)得TVS兩端的電壓。測(cè)試的電流It一般選取10mA左右，施加的電流的時(shí)間不應(yīng)超過(guò)400ms，以免損壞器件，VBR MIN和VBR MAX是TVS擊穿電壓的一個(gè)偏差，一般TVS為±5%的偏差。測(cè)量時(shí)，V BR落在 V BR MIN .和 V BR MAX .之間視為合格品。（4）I PP峰值脈沖電流，V?C鉗位電壓峰值脈沖電流，給定脈沖電流波形的峰值。TVS一般選用10/1000μs電流波形。鉗位電壓，施加規(guī)定波形的峰值脈沖電流I PP時(shí)，TVS兩端測(cè)得的峰值電壓。I PP及V C是衡量TVS在電路保護(hù)中抵抗浪涌脈沖電流及限制電壓能力的參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)是相互聯(lián)系的。對(duì)于TVS在防雷保護(hù)電路中的鉗位特性，可以參考V C這個(gè)參數(shù)。對(duì)于相同型號(hào)TVS，在相同I PP下的V C越小，說(shuō)明TVS的鉗位特性越好。TVS的耐脈沖電流沖擊能力可以參考I PP，同型號(hào)的TVS，I PP越大，耐脈沖電流沖擊能力越強(qiáng)。（5）結(jié)電容CI，漏電流Ir結(jié)電容是TVS中的寄生電容，在高速I(mǎi)O端口保護(hù)需要重點(diǎn)關(guān)注，過(guò)大的結(jié)電容可能會(huì)影響信號(hào)的質(zhì)量。漏電流主要帶來(lái)了功率的損耗，或者是在模擬信號(hào)中，會(huì)影響AD信號(hào)的采樣值。圖2：廠家一般都是提供10/1000μs的測(cè)試波形
圖3：TVS的關(guān)鍵參數(shù)
3、選型過(guò)程
了解了TVS的基本參數(shù)，我們就開(kāi)始進(jìn)入最重要的TVS選型的過(guò)程了。選擇TVS之前，我們首先要明白選擇的終極目標(biāo)：
- 電壓合適能保護(hù)后級(jí)電路
- 引入的TVS的結(jié)電容不能影響電路
- TVS功率余量充足，滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，且不能比保險(xiǎn)管先掛
- 選擇TVS最高工作電壓Vrmw
- 選擇TVS鉗位電壓VC
- 選擇TVS的功率
- 評(píng)估漏電流Ir的影響
- 評(píng)估結(jié)電容的影響
在電路正常工作情況下，TVS應(yīng)該是不工作的，即處于截止?fàn)顟B(tài)，所以TVS 的截止電壓應(yīng)大于被保護(hù)電路的最高工作電壓。這樣才能保證TVS在電路正常工作下不會(huì)影響電路工作。但是，TVS的工作電壓高低也決定了TVS鉗位電壓的高低，在截止電壓大于線路正常工作電壓的情況下，TVS工作電壓也不能選取的過(guò)高，如果太高，鉗位電壓也會(huì)較高。所以，在選擇Vrwm時(shí)，要綜合考慮被保護(hù)電路的工作電壓及后級(jí)電路的承受能力。要求Vrwm要大于工作電壓，否則工作電壓大于Vrwm會(huì)導(dǎo)致TVS反向漏電流增大，接近導(dǎo)通，或者雪崩擊穿，影響正常電路工作。綜合考慮，Vrwm可以參考以下的公式：Vrwm≈1.1~1.2*VCC?；--------其中VCC為電路的最高工作電壓。（2）選擇選擇TVS鉗位電壓VCTVS鉗位電壓應(yīng)小于后級(jí)被保護(hù)電路最大可承受的瞬態(tài)安全電壓，VC與TVS 的雪崩擊穿電壓及I PP都成正比。對(duì)于同一功率等級(jí)的TVS，其擊穿電壓越高V C也越高，所選TVS的最大箝位電壓Vc不能大于被防護(hù)電路可以承受的最大電壓。否則，當(dāng)TVS鉗在Vc時(shí)會(huì)對(duì)電路造成損壞。Vc可以參考以下的公式：VC＜Vmax?；-----其中Vmax為電路能承受的最高電壓。（3）選擇TVS的功率Pppm（或者Ipp）TVS產(chǎn)品的額定瞬態(tài)功率應(yīng)大于電路中可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率，理論上，TVS的功率越大越好，能夠承受更多的沖擊能量和次數(shù)，但是功率越高，TVS的封裝越大，價(jià)錢(qián)也越高。所以，TVS的功率滿足要求即可。對(duì)于不同功率等級(jí)的TVS，相同電壓規(guī)格的TVS其V C值是一樣的，只是I PP不同。故Pppm與Ippm成正比，Ippm越大，Pppm也越大。對(duì)于某一電路，有對(duì)應(yīng)的測(cè)試要求，設(shè)實(shí)際電路中的最大測(cè)試電流為 Iactual，則 Iactual可估算為：Iactual=Uactual/Ri；---------其中Uactual為測(cè)試電壓，Ri為測(cè)試內(nèi)阻。TVS要通過(guò)測(cè)試，故實(shí)際電路中要求10/1000μs波形下TVS的最小功率P actual 為：-------其中di/dt為波形轉(zhuǎn)換系數(shù)，如實(shí)際測(cè)試波形為其他波形，如8/20μs波形，建議di/dt取，如測(cè)試波形為10/1000μs，實(shí)際選型中，TVS應(yīng)留有一定的裕量，TVS的功率PPMP選擇應(yīng)遵循Pppm＞Pactual。（4）根據(jù)所選的TVS的結(jié)電容和漏電流評(píng)估影響如果TVS用在高速I(mǎi)O端口防護(hù)、模擬信號(hào)采樣、低功耗設(shè)備場(chǎng)合，就需要考慮結(jié)電容和漏電流的影響，兩則的參數(shù)越小越好。4、選型舉例
數(shù)據(jù)都是無(wú)趣的，我們以實(shí)際的案例舉例：電路的正常工作電壓VCC是24V，最高工作電壓Vmax是26V,后級(jí)電路可承受的最高瞬態(tài)電壓為50V，實(shí)驗(yàn)的測(cè)試波形為8/20μs波形，測(cè)試電壓500V，測(cè)試電源內(nèi)阻及PPTC的靜態(tài)電阻合計(jì)為2Ω。根據(jù)上述信息選擇合適的TVS。圖4：設(shè)計(jì)舉例（1）選擇TVS最高工作電壓Vrmw≈1.1~1.2*VCC=26~28V（2）選擇選擇TVS鉗位電壓VC＜Vmax=50V（3）計(jì)算實(shí)際測(cè)試波形功率Pact=50*（500/3）*1/2=4166W根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以選用5.0SMDJ26A這個(gè)TVS，由于這個(gè)TVS用在電源端口，結(jié)電容和漏電流基本可以忽略不計(jì)。圖5：5.0SMDJ26A TVS關(guān)鍵參數(shù)作者：阿甘來(lái)源：芯片之家版權(quán)歸原作者所有，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系刪除。
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