TVS在交流電路中的防護(hù)應(yīng)用詳解

TVS在直流電路中的防護(hù)應(yīng)用：可以保護(hù)直流穩(wěn)壓電源，在穩(wěn)壓輸出端應(yīng)用TVS時(shí)其電源儀器設(shè)備可以受到很好的保護(hù)，同時(shí)能夠吸收電路中晶體管的集電極到發(fā)射極間的峰值電壓，晶體管從而得到有效保護(hù)。在每個(gè)穩(wěn)壓源輸出端建議都能夠增加一個(gè)TVS管，這樣整機(jī)的可靠性將會(huì)大幅度的提高。

TVS在交流電路中的防護(hù)應(yīng)用：在交流電路中運(yùn)用TVS管能夠有效的抑制電網(wǎng)帶來(lái)的過(guò)載脈沖，對(duì)于整流橋以及負(fù)載中的元器件能夠起到很好的保護(hù)作用。

TVS二極管在集成電路中的防護(hù)應(yīng)用：眾所周知，集成電路中其集成度越來(lái)越高，其中的耐壓就會(huì)越來(lái)越低，很容易受到瞬變電壓的沖擊而導(dǎo)致?lián)p壞，所以必須得采用保護(hù)措施。一般在CMOS電路的輸出端網(wǎng)絡(luò)都會(huì)采取保護(hù)措施，其中為了可靠性，對(duì)于整機(jī)的外接口的網(wǎng)絡(luò)同時(shí)采用了各保護(hù)。

1.什么是TVS

TVS(Transient Voltage Suppressor)，即瞬態(tài)電壓抑制器，TVS采用先進(jìn)的半導(dǎo)體制程工藝制作，通過(guò)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體PN結(jié)兩端電壓來(lái)啟動(dòng)保護(hù)，具有導(dǎo)通電壓精準(zhǔn)、啟動(dòng)速度快、一致性好無(wú)老化的優(yōu)點(diǎn)，是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用來(lái)抑制電路中的過(guò)壓保護(hù)器件，它可以將幾KV的靜電電壓和浪涌電壓限制在一個(gè)非常安全的電壓范圍之內(nèi)，從而保護(hù)電路中的敏感組件免受高壓靜電和浪涌的損壞。所以TVS管既可以用來(lái)防護(hù)ESD，也可以用來(lái)防護(hù)Surge，但是還有一個(gè)細(xì)分品類(lèi)叫ESD防護(hù)二極管，它專(zhuān)業(yè)用來(lái)防護(hù)ESD，但不足以應(yīng)對(duì)Surge，在選型TVS管時(shí)，要充分考慮其防護(hù)兩種電應(yīng)力的能力。

2.Zener(齊納)二極管

圖2-1顯示了典型的齊納二極管I-V曲線，曲線左側(cè)顯示反向偏壓區(qū)域的Zener，只要測(cè)試或工作電壓保持在VRWM以下(0V~|VRWM|)，電流會(huì)非常小。VRWM是指關(guān)閉狀態(tài)工作電壓，低于該電壓時(shí)，反向泄漏電流小于指定的IRM。當(dāng)電壓升高時(shí)，電流會(huì)突然增加，此時(shí)出現(xiàn)雪崩區(qū)，即達(dá)到擊穿電壓VBR。也就是說(shuō)保護(hù)動(dòng)作工作在雪崩區(qū)，瞬間的脈沖出現(xiàn)時(shí)，Zener快速反應(yīng)進(jìn)入雪崩區(qū)，吸收一部分能量，并將剩余能量導(dǎo)入GND。

采用電流驅(qū)動(dòng)型測(cè)試設(shè)置，對(duì)Zener施加反向電壓直到二極管流過(guò)1mA電流，此時(shí)的電壓定義為可擊穿電壓VBR。曲線右側(cè)顯示正向偏壓區(qū)域的Zener，如果電壓超過(guò)VF，電流開(kāi)始快速回升，可將負(fù)浪涌脈沖電壓鉗制到較低值(VF?0.7V)，Zener作為保護(hù)器件時(shí)是單向保護(hù)。

圖2-1：Zener的I-V曲線

Zener為接口提供單向保護(hù)，對(duì)于負(fù)浪涌事件，限制到相對(duì)較低的電壓(高于VF)，而對(duì)于正浪涌事件，根據(jù)VCL等式，鉗制到鉗位電壓，鉗位電壓：

3.TVS(瞬態(tài)抑制)二極管

如果串聯(lián)連接兩個(gè)方向相反的Zener，則形成雙向ESD器件，此時(shí)整合起來(lái)就變成TVS管，如果這兩個(gè)二極管相同，則I-V曲線對(duì)稱，如圖2-所示：

圖2-2：TVS的I-V曲線

鉗位電壓的計(jì)算公式與單向ESD二極管的反向等式相同：

VBR由VF值和另一個(gè)二極管的反向擊穿電壓VBR1組成。支持正負(fù)工作電壓范圍的接口必須采用ESD保護(hù)，例如模擬音頻信號(hào)，大多數(shù)只支持正工作電壓的數(shù)字接口可通過(guò)單向解決方案獲得保護(hù)，不過(guò)有許多工程師會(huì)采用雙向ESD保護(hù)方案。對(duì)于負(fù)ESD放電，SOC會(huì)接觸到更高的負(fù)鉗位電壓，應(yīng)盡量避免這種情況，因?yàn)檫@會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)級(jí)穩(wěn)健性。

如果必須按照IEC-61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)系統(tǒng)芯片，使其免遭具有更高能量和更長(zhǎng)脈沖持續(xù)時(shí)間的負(fù)浪涌事件影響，則尤其需要注意上述問(wèn)題。如果浪涌保護(hù)只能根據(jù)IEC-61000-4-2處理ESD脈沖，那么使用雙向拓?fù)浔憧蔀橄鄬?duì)不敏感的芯片提供充分保護(hù)。設(shè)計(jì)低電容ESD保護(hù)組件時(shí)，選擇這種兩個(gè)ESD二極管串聯(lián)的結(jié)構(gòu)十分有用，因?yàn)槠浼纳娙荼葐蜗蚱骷?，如下式所示?

4.TVS保護(hù)原理

保護(hù)和損壞機(jī)制

當(dāng)TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10的負(fù)12次方秒量級(jí)的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。

圖2-3：原始靜電-綠色是被TVS保護(hù)后的安全電壓

從圖2-3來(lái)說(shuō)，綠線部分的面積越小越好，那么就要求抑制電壓越小越好，這樣對(duì)后面電路的保護(hù)效果就越好。從被保護(hù)器件的角度考慮，主要有兩種方式造成器件損壞：

1：過(guò)電壓，由于抑制后的剩余電壓部分過(guò)高，遠(yuǎn)超出被保護(hù)器件的額定電壓，導(dǎo)致器件對(duì)地產(chǎn)生漏電流或者是電極與電極之間發(fā)生放電的現(xiàn)象，導(dǎo)致器件不能工作或者工作失常，通常情況下，從器件的表面觀察不到異常情況。

2：過(guò)電流，在被保護(hù)器件引腳和引腳之間，引腳和GND之間產(chǎn)生過(guò)電流現(xiàn)象，表現(xiàn)為被保護(hù)器件失去應(yīng)有的工作狀態(tài)或?qū)Φ囟搪贰?

所以較低的抑制電壓(VCL)和殘余電流意味著被保護(hù)器件或IC具有較低的發(fā)熱，另外被保護(hù)器件的額定耐壓指的是常態(tài)下的耐壓(RMS)，和瞬態(tài)的耐壓不是一個(gè)概念。

關(guān)鍵參數(shù)

VRWM：器件最大反向工作電壓

在線路沒(méi)有受到電應(yīng)力影響時(shí)，TVS管是要求不工作的，所以VRWM應(yīng)該大于線路上最高的工作電壓。這樣才能保證TVS 在電路正常工作下不會(huì)影響電路工作(當(dāng)工作電壓大于VRWM時(shí)，反向漏電流會(huì)顯著增大，從上述波形圖來(lái)看雖然實(shí)際也能使用但是不建議)。但也不能選的太高，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，通常選取VRWM為工作電壓的1.1~1.2倍。

VBR：器件反向擊穿電壓

器件反向擊穿電壓，通常在器件通過(guò)IR=1mA的電流情況下測(cè)試，代表器件擊穿時(shí)的一種臨界狀態(tài)。

VCL：鉗位電壓

對(duì)器件施加規(guī)定波形的峰值脈沖電流Ipp時(shí)(或者對(duì)器件進(jìn)行模擬ESD測(cè)試)，TVS管反向電擊穿后隨著電壓增加到一確定值后，TVS管兩端測(cè)得的峰值電壓保持不變，此電壓就是TVS管的最大鉗位電壓。TVS 鉗位電壓應(yīng)小于后級(jí)被保護(hù)器件最大可承受的瞬態(tài)安全電壓，但要大于后級(jí)被保護(hù)器件的正常工作電壓。

Ipp：器件最高可承受峰值脈沖電流，詳細(xì)波形圖見(jiàn)器件規(guī)格書(shū)。其實(shí)Ipp和VCL才是真正衡量TVS在電路保護(hù)中防護(hù)ESD和Surge脈沖電流和限制電壓能力的參數(shù)，在相同Ipp下的VCL越小，表明TVS的鉗位特性越好。

VF：器件的正向壓降

RD：器件的動(dòng)態(tài)電阻

IR：漏電流，也叫待機(jī)電流，漏電流主要帶來(lái)功率的損耗，比如在模擬信號(hào)中，會(huì)影響AD信號(hào)的采樣值，所以TVS的漏電流越小越好。

Pppm：額定功率，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。

Cd：結(jié)電容

TVS管的結(jié)電容一般從幾pF到nF級(jí)別，隨著反向電壓的增加，Cd呈下降規(guī)律，電容的大小會(huì)影響TVS器件的響應(yīng)時(shí)間。在通訊線路上需要考慮TVS管的Cd值，過(guò)大的結(jié)電容會(huì)影響通訊線路的信號(hào)質(zhì)量(增加信號(hào)的上升時(shí)間，改變線路的特性阻抗等)。

5.TVS的選型要點(diǎn)

從上面的分析中我們篩選出若干選型要點(diǎn)，并按照優(yōu)先級(jí)排列如下：

1：TVS的VRWM大于線路上的最大工作電壓。

2：TVS的VBR大于線路上的最大工作電壓。

3：被保護(hù)器件(線路)的正常工作電壓

4：TVS選擇符合測(cè)試要求的功率Pppm。

5：TVS的Cd一定要滿足適合被保護(hù)信號(hào)線的速率要求，建議參考如下關(guān)系，也可以參考時(shí)鐘頻率。

數(shù)據(jù)傳輸速率1.5Mbps(200KB/s)，Cd≤30pF

數(shù)據(jù)傳輸速率12Mbps(1.5MB/s)，Cd≤10pF

數(shù)據(jù)傳輸速率480Mbps(60MB/s)，Cd≤4pF

數(shù)據(jù)傳輸速率5Gbps(640MB/s)，Cd≤0.8pF

數(shù)據(jù)傳輸速率10Gbps(1280MB/s)，Cd≤0.4pF