TVS瞬態(tài)電壓抑制二極管原理應(yīng)用特性詳解

TVS瞬態(tài)電壓抑制二極管原理應(yīng)用特性

瞬態(tài)抑制二極管(TVS)又叫鉗位型二極管，是目前國(guó)際上普遍使用的一種高效能電路保護(hù)器件，它的外型與普通二極管相同，但卻能吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，它的主要特點(diǎn)是在反向應(yīng)用條件下，當(dāng)承受一個(gè)高能量的大脈沖時(shí)，其工作阻抗立即降至極低的導(dǎo)通值，從而允許大電流通過(guò)，同時(shí)把電壓鉗制在預(yù)定水平，其響應(yīng)時(shí)間僅為10-12毫秒，因此可有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件。TVS允許的正向浪涌電流在TA=250C，T=10ms條件下，可達(dá)50～200A。雙向TVS可在正反兩個(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈沖功率，并把電壓鉗制到預(yù)定水平， 雙向TVS適用于交流電路，單向TVS一般用于直流電路?？捎糜诜览讚?、防過(guò)電壓、抗干擾、吸收浪涌功率等，是一種理想的保護(hù)器件。耐受能力用瓦特(W)表示。

TVS(Transient Voltage Suppression)是一種限壓保護(hù)器件，作用與壓敏電阻很類(lèi)似。也是利用器件的非線性特性將過(guò)電壓鉗位到一個(gè)較低的電壓值實(shí)現(xiàn)對(duì)后級(jí)電路的保護(hù)。TVS管的主要參數(shù)有：反向擊穿電壓、最大鉗位電壓、瞬間功率、結(jié)電容、響應(yīng)時(shí)間等。

TVS的響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到ps級(jí)，是限壓型浪涌保護(hù)器件中最快的。用于電子電路的過(guò)電壓保護(hù)時(shí)其響應(yīng)速度都可滿足要求。TVS管的結(jié)電容根據(jù)制造工藝的不同，大體可分為兩種類(lèi)型，高結(jié)電容型TVS一般在幾百～幾千pF的數(shù)量級(jí)，低結(jié)電容型TVS的結(jié)電容一般在幾pF～幾十pF的數(shù)量級(jí)。一般分立式TVS的結(jié)電容都較高，表貼式TVS管中兩種類(lèi)型都有。在高頻信號(hào)線路的保護(hù)中，應(yīng)主要選用低結(jié)電容的TVS管。

TVS管的非線性特性比壓敏電阻好，當(dāng)通過(guò)TVS管的過(guò)電流增大時(shí)，TVS管的鉗位電壓上升速度比壓敏電阻慢，因此可以獲得比壓敏電阻更理想的殘壓輸出。在很多需要精細(xì)保護(hù)的電子電路中，應(yīng)用TVS管是比較好的選擇。TVS管的通流容量在限壓型浪涌保護(hù)器中是最小的，一般用于最末級(jí)的精細(xì)保護(hù)，因其通流量小，一般不用于交流電源線路的保護(hù)，直流電源的防雷電路使用TVS管時(shí)，一般還需要與壓敏電阻等通流容量大的器件配合使用。TVS管便于集成，很適合在單板上使用。

TVS具有的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可靈活選用單向或雙向保護(hù)器件，在單極性的信號(hào)電路和直流電源電路中，選用單向TVS管，可以獲得比較低的殘壓。TVS的反向擊穿電壓、通流容量是電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的。在直流回路中，應(yīng)當(dāng)有：min(UBR)≥(1.3～1.6)Umax，式中UBR為直流TVS的反向擊穿電壓，Umax是直流回路中的電壓峰值。

TVS管主要可用于直流電源、信號(hào)線路、天饋線路的防雷保護(hù)。TVS管的失效模式主要是短路。但當(dāng)通過(guò)的過(guò)電流太大時(shí)，也可能造成TVS管被炸裂而開(kāi)路。TVS管的使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)。

瞬態(tài)電壓抑制器是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件，具有極快的響應(yīng)時(shí)間和相當(dāng)高的浪涌吸收能力。當(dāng)TVS的兩端受到反向瞬態(tài)過(guò)壓脈沖時(shí)，能以極 高的速度把兩端間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗晕账查g大電流，并將電壓箝制在預(yù)定數(shù)值，從而有效保護(hù)電路中的元器件免受損壞。本文講述了TVS器件的主要特性 參數(shù)和選用注意事項(xiàng)，同時(shí)給出了TVS在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法。

1 TVS器件的特性及主要參數(shù)

1.1 TVS的器件特性

在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下，TVS對(duì)受保護(hù)的線路呈高阻抗?fàn)顟B(tài)。當(dāng)瞬間電壓超過(guò)其擊穿電壓時(shí)，TVS就會(huì)提供一個(gè)低阻抗的路徑，并通過(guò)大電流方式 使流向被保護(hù)元器件的瞬間電流分流到TVS二極管，同時(shí)將受保護(hù)元器件兩端的電壓限制在TVS的箝制電壓。當(dāng)過(guò)壓條件消失后，TVS又恢復(fù)到高阻抗?fàn)顟B(tài)。 與陶瓷電容相比，TVS可以承受15 kV的電壓，但陶瓷電容對(duì)高壓的承受能力比較弱。5 kV的沖擊就會(huì)造成約10%陶瓷電容失效，而到10 kV時(shí)，其損壞率將高達(dá)到60%。

1.2 TVS器件的主要參數(shù)

(1)最小擊穿電壓VBR

當(dāng)TVS流過(guò)規(guī)定的電流時(shí)，TVS兩端的電壓稱為最小擊穿電壓，在此區(qū)域，TVS呈低阻抗的通路。在25℃時(shí)，低于這個(gè)電壓，TVS是不會(huì)發(fā)生雪崩擊穿的。

(2)額定反向關(guān)斷電壓VWM

VWM是TVS在正常狀態(tài)時(shí)可承受的電壓，此電壓應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的正常工作電壓。但它又需要盡量與被保護(hù)電路的正常工作電壓接近，這樣 才不會(huì)在TVS工作以前使整個(gè)電路面對(duì)過(guò)壓威脅。按TVS的VBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散度，可把VBR分為5%和10%兩種，對(duì)于5%的VBR來(lái) 說(shuō)，VWM=0.85VBR腿;而對(duì)于10%的VBR來(lái)說(shuō)，VWM=0.81VBR。

(3)最大峰值脈沖電流IPP

Ipp是TVS在反向狀態(tài)工作時(shí)，在規(guī)定的脈沖條件下，器件允許通過(guò)的最大脈沖峰值電流。

(4)箝位電壓Vc

當(dāng)脈沖峰值電流Ipp流過(guò)TVS時(shí)，其兩端出現(xiàn)的最大電壓值稱為箝位電壓Vc。Vc和Ipp反映了TVS的浪涌抑制能力。通常把Vc與VBR之 比稱為箝位因子(系數(shù))，其值一般在1.2～1.4之間。實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)使Vc不大于被保護(hù)電路的最大允許安全電壓，否則被保護(hù)器件將面臨被損壞的可能。

(5)最大峰值脈沖功耗PM

PM通常是最大峰值脈沖電流Ipp與箝位電壓Vc的乘積，也就是最大峰值脈沖功耗。它是TVS能承受的最大峰值脈沖功耗值。在給定的最大鉗位電 壓下，功耗PM越大，其浪涌電流的承受能力越大。另外，峰值脈沖功耗還與脈沖波形、脈沖持續(xù)時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)。而且，TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不可重 復(fù)施加的。

(6)電容量C

TVS的電容是由其硅片的截面積和偏置電壓來(lái)決定的，它是在1 MHz特定頻率下測(cè)得的。C的大小與TVS的電流承受能力成正比，C太大，將使信號(hào)衰減。因此，電容C是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS的重要參數(shù)。

(7)漏電流IR

IR是最大反向工作電壓施加到TVS上時(shí)，TVS管的漏電流。當(dāng)TVS用于高阻抗電路時(shí)，這個(gè)漏電流IR一個(gè)重要參數(shù)。

2選用TVS的注意事項(xiàng)

在選用TVS時(shí)，根據(jù)電路的具體情況，一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)主要因素：

首先，由于雙向TVS可以在正反兩個(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈沖功率，并把電壓箝制到預(yù)定水平。因此，若電路有可能承受來(lái)自兩個(gè)方向的浪涌電壓沖擊時(shí)， 應(yīng)當(dāng)選用雙向TVS。雙向TVS一般適用于交流電路，單向TVS一般用于直流電路。另外，箝位電壓Vc不大于被保護(hù)電路的最大允許安全電壓。

其次，就是最大峰值脈沖功耗PM必須大于電路中出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率。但是，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，浪涌有可能重復(fù)地出現(xiàn)，在這種情況下，即使單 個(gè)的脈沖能量比TVS器件可承受的脈沖能量要小得多，但是，如果重復(fù)施加，這些單個(gè)的脈沖能量積累起來(lái)，也可能在某些情況下超過(guò)TVS器件所能承受的脈沖 能量。因此，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，必須在這點(diǎn)上認(rèn)真考慮并選用合適的TVS器件，以使其在規(guī)定的間隔時(shí)間內(nèi)，重復(fù)施加脈沖能量的累積不至于超過(guò)TVS器件的脈沖 能量額定值。

第三，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)最大反向工作電壓必須有正確的選取，一般原則是以交流電壓的1.4倍來(lái)選取TVS管的最大反向工作電壓。直流電壓則按1.1～1.2倍來(lái)選取TVS管的最高反向工作電壓。

3 TVS在電路設(shè)計(jì)中的典型應(yīng)用

在實(shí)際的應(yīng)用電路中，處理瞬時(shí)脈沖對(duì)器件損害的最好辦法，就是將瞬時(shí)電流從敏感器件引開(kāi)。為達(dá)到這一目的，將TVS在線路板上與被保護(hù)線路并 聯(lián)。這樣，當(dāng)瞬時(shí)電壓超過(guò)電路正常工作電壓后，TNS將發(fā)生雪崩擊穿，從而提供給瞬時(shí)電流一個(gè)超低阻抗的通路，其結(jié)果是瞬時(shí)電流通過(guò)TVS被引開(kāi)，從而避 開(kāi)被保護(hù)器件，并且在電壓恢復(fù)正常值之前使被保護(hù)回路一直保持截止電壓。