摘要：在電裝車間發(fā)生元器件損壞事件，大部分都是因為過電應(yīng)力損傷、電流過大燒毀、大電壓擊穿，這些失效模式是典型的浪涌損壞。在此分析了浪涌產(chǎn)生的機理，早期的浪涌吸收器響應(yīng)時間一般為μs級，不能很好地抑制某些高速浪涌。根據(jù)TVS管特性，把它加入到電子產(chǎn)品中可有效抑制高速浪涌的產(chǎn)生，在某軍用電子產(chǎn)品中具體做了實驗，從脈沖產(chǎn)生的數(shù)據(jù)表中，可明顯看到增加TVS管后，抑制了浪涌產(chǎn)生，保證了產(chǎn)品的測試精度，減少了元器件的損傷，提高了產(chǎn)品的抗干擾能力。
關(guān)鍵詞：TVS器件；浪涌；靜電保護(hù)；干擾
0 引言
對精度要求極高(穩(wěn)定性2．5×105)電子產(chǎn)品，裝配調(diào)試時應(yīng)將溫度、電源、電場、磁場等影響因素降到最小程度。
由于電裝車間的諸多不同儀器設(shè)備共用同一電源和地線，在調(diào)試、測試高精度產(chǎn)品時，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)當(dāng)開關(guān)其他用電設(shè)備(如：高溫箱、電風(fēng)扇)時，產(chǎn)品輸出數(shù)據(jù)發(fā)生跳變。文獻(xiàn)指出“當(dāng)接通或斷開電感負(fù)載、繼電器的線圈或變壓器一側(cè)開關(guān)元器件，經(jīng)常產(chǎn)生開關(guān)浪涌電壓或電流，尤其以切斷空載變壓器和繼電器最為嚴(yán)重”。浪涌電壓或電流是指電路在工作過程中有時出現(xiàn)比正常電壓或電流高出很多倍的電壓或電流。浪涌電壓(電流)的特點是作用時間短，作用電壓(電流)大。例如直流6 V的繼電器或線圈斷電時產(chǎn)生的浪涌電壓高達(dá)300～600V。
浪涌的產(chǎn)生有外因也有內(nèi)因，外部因素主要是供電電源引入，內(nèi)部因素主要是電路自身斷開感性負(fù)載(繼電器、變壓器等)、電容器等。如果電路設(shè)計未考慮浪涌對元器件的影響，那么，元器件就處于被浪涌損傷的危險情況。這些年許多電裝車間發(fā)生數(shù)起元件損壞事件，對其中的幾個損壞的元件作失效分析，其結(jié)果多為：過電應(yīng)力損傷、電流過大燒毀、大電壓擊穿，這些失效模式是典型的浪涌損壞結(jié)果。
可見，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高工作效率；避免元器件損壞，節(jié)約成本；提高產(chǎn)品可靠性；配合今后生產(chǎn)線改造，適應(yīng)批量生產(chǎn)形式的需求，研究涌浪電壓(電流)產(chǎn)生的深層次機理和如何消除或抑制浪涌電壓(電流)是非常重要的。
經(jīng)過一段時間的研究和試驗，找到了一種比較好的浪涌抑制器件(TVS管)。將該器件加裝在某軍工產(chǎn)品測試臺上，可以有效抑制高溫箱開關(guān)產(chǎn)生的浪涌影響。為了進(jìn)一步試驗其可靠性，我們已經(jīng)在某工位安裝使用該器件4個月，結(jié)果表明這款電子產(chǎn)品測試試驗時很少發(fā)生跳大數(shù)現(xiàn)象。
1 浪涌的抑制方法以及國內(nèi)外現(xiàn)狀
最常見的浪涌的抑制方法是給電子設(shè)備加裝浪涌吸收器。如前所述，浪涌作用的時間短(ns或μs級)、量級大(幾百到幾千V)，這就對浪涌吸收器提出2個要求：響應(yīng)時間快；短期過載能力強。
早期浪涌吸收器有：RC濾波器、D型二極管、硒整流器、氧化鋅壓敏電阻器、雪崩二極管等。這些器件曾得到廣泛的應(yīng)用，但是其響應(yīng)時間一般為μs級，不能很好地抑制某些高速浪涌。隨著電子制造技術(shù)的提高，近年來西方出現(xiàn)了一種理想的浪涌吸收器(Transitent Voltage Suppressor Diode，TVS)。TVS能承受瞬時脈沖功率高達(dá)上kW，其箝位響應(yīng)時間僅為1 ps，允許的正向浪涌電流可達(dá)50～200A。
TVS在美國應(yīng)用十分廣泛，特別是在軍事電子裝備中非常重視，美國軍標(biāo)不僅出版了不少TVS器件的標(biāo)準(zhǔn)，同時在線路應(yīng)用方面也有軍標(biāo)。如在文獻(xiàn)列出不少TVS的應(yīng)用實例；文獻(xiàn)中也談到了TVS的應(yīng)用。TVS在國內(nèi)的應(yīng)用，正處于推廣應(yīng)用階段。所以，掌握TVS器件的特點，并將其正確應(yīng)用，將大大提高產(chǎn)品的可靠性和抗電磁干擾性能。
2 TVS器件的特點與電特性
TVS器件的特點：在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下，當(dāng)承受一個高能量的瞬時過壓脈沖時，其工作阻抗能立即降至很低的導(dǎo)通值，允許大電流通過，并將電壓抑制到預(yù)定水平，從而有效地保護(hù)電子線路的精密元器件免受損傷。
單向TVS的電特性如圖1所示，其正向特性與普通穩(wěn)壓二極管相同，反向擊穿拐點近似“直角”為硬擊穿是典型的PN結(jié)雪崩器件。從擊穿點到UC值所對應(yīng)的曲線段表明，當(dāng)有瞬時過壓脈沖時，器件的電流急劇增加而反向電壓則上升到拉電壓值，并保持在這一水平上。
雙向TVS的電特性如圖2所示，如同2只單向TVS“背靠背”組合，其反正2個方向都具有相同的擊穿特性和上拉特性，正反兩面擊穿電壓的對稱關(guān)系：0．9 V≤V(BR)正／V(BR)反≤1．1 V，一旦加在它兩端的干擾電壓超過拉電壓Vc，就會立即被抑制掉。
圖2中V(BR)：擊穿電壓；IPP：最大反向脈沖峰值；VC(max)：最大箝位電壓；VRWM：最大反向工作電壓。
3 TVS器件在電子設(shè)備中的應(yīng)用
從對電子產(chǎn)品測試的可靠性和精確度，以及TVS器件的電特性兩方面考慮，TVS器件在電子設(shè)備中的使用如下：
首先，保護(hù)被測電子產(chǎn)品免受浪涌的損傷，提高測試的可靠度。在產(chǎn)品通電過程中，來自外部電源的浪涌，將進(jìn)入電子線路，可能將元器件損傷。TVS器件能夠抑制可能出現(xiàn)的脈沖功率的沖擊(見圖3)。當(dāng)瞬時脈沖峰值電流出現(xiàn)時，TVS波擊穿，并由擊穿電壓值上升至最大拉電壓值，隨著脈沖電流呈指數(shù)下降，拉電壓也下降，恢復(fù)到原來的狀態(tài)。因此TVS管可以有效地保護(hù)電子線路。
其次，提高抗干擾能力及測試精度。當(dāng)有瞬變電壓進(jìn)入電子線路后，將影響電子線路的測試結(jié)果。
結(jié)合使用的實際情況著重討論以下幾種TVS管的用法：
(1)TVS在電源浪涌抑制中的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計：電子系統(tǒng)生產(chǎn)100次故障中，90次來自電源，10次是電子本身，可見電源的可靠性最重要，要提高整機可靠性，首先提高電源的可靠性。對于開關(guān)電源來說，影響電源輸出的3種瞬變類型為：由負(fù)載變化引起的瞬變電壓(電感負(fù)載)；由電源線引起的瞬變電壓；由開關(guān)電源內(nèi)部發(fā)生的瞬變電壓。由于這些瞬變電壓有很大能量，可能引起開關(guān)電源的誤動作或元器件失效。所以，應(yīng)該用TVS管保護(hù)開關(guān)電源中以下元器件：高反壓開關(guān)晶體管(VMOS)、高壓整流器(高壓整流二極管)、輸出整流器(輸出大電流整流二極管)、內(nèi)部控制電路(脈寬調(diào)制器)。
對于直流穩(wěn)壓電源來說，在每個穩(wěn)壓源輸出端和地之間加一個TVS管，可以保護(hù)使用該電源的儀器設(shè)備，從而大幅度提高整機應(yīng)用可靠性。
(2)TVS保護(hù)晶體管。各種瞬變電壓能使晶體管EB結(jié)或CF結(jié)擊穿而損壞，特別是晶體管集電極由電感性(線圈、變壓器、電動機)負(fù)載時，會產(chǎn)生高壓反電勢，往往使晶體管損壞。因為軍工電子產(chǎn)品大量使用晶體管，而且多為高精密電路，所以用TVS管保護(hù)晶體管，對提高產(chǎn)品抗干擾能力，防止晶體管損壞，有重要意義。
(3)TVS保護(hù)集成電路。由于集成電路集成越來越高，其耐壓越來越低，容易受到瞬變電壓的沖擊而損壞，必須采取保護(hù)措施。TVS管可以保護(hù)集成運放免受過大電壓或電流特別是浪涌和靜電脈沖的損傷，具有抑制電磁脈沖干擾、防止感應(yīng)雷電損壞與元器件等作用。對于大量使用的精密運算放大器，其價格比較高，加入TVS保護(hù)后可以降低損壞風(fēng)險，提高系統(tǒng)抗干擾能力和強度。
目前，大多公司使用了較多的厚膜二次集成電路，此類型集成電路在使用過程中多有損壞現(xiàn)象發(fā)生，為此，筆者認(rèn)為采用TVS管保護(hù)厚膜二次集成電路模塊，以提高其抗浪涌能力是一個亟待試驗的課題。
4 TVS管在產(chǎn)品測試中的使用情況
如前所述某產(chǎn)品對高溫箱的開關(guān)很敏感，為了避免高溫箱開關(guān)對某產(chǎn)品測試的影響，進(jìn)行如下試驗：
(1)沒有TVS管時的情況：某產(chǎn)品在零位上穩(wěn)定性測試過程中，在開關(guān)高溫箱的瞬時，由于高溫箱的電感性，產(chǎn)生瞬時脈沖電壓，直接影響到產(chǎn)品的精度測試。再多次試驗中均可以觀測到相同現(xiàn)象。
(2)有TVS管時的情況：給產(chǎn)品的供電電源經(jīng)檢測設(shè)備增加一個TVS管后，啟動產(chǎn)品測試程序，人為開關(guān)高溫箱，測試數(shù)據(jù)表1所示。由表中數(shù)據(jù)可以看出，測試設(shè)備增加TVS管后，輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定，無明顯異常跳變，產(chǎn)品抗干擾能力增加。
5 結(jié)語
TVS管是一種價錢低(1支僅1元左右)、體積小(和普通二極管相同)、使用方便的浪涌吸收器。另外，TVS管還可以防止電源反接損壞電路中的元器件。在測試過程中，存在電源接反的可能性，如果在測試設(shè)備的電源輸入端增加TVS管，當(dāng)電源接反時，反向電源將流過TVS管而不進(jìn)入產(chǎn)品。
浪涌的抑制是多方面的，必須通過設(shè)計單位和生產(chǎn)單位共同解決。如果設(shè)計人員在早期的電路設(shè)計中，考慮到防止浪涌對元器件的損壞，給需要保護(hù)的元器件增加TVS管，將會大大減少調(diào)試過程中元器件的損傷。在后期的產(chǎn)品調(diào)試中，從測試設(shè)備方面來講，必須考慮到抑制浪涌。其次車間電網(wǎng)的合理接地，干擾源(如高溫箱)與測試設(shè)備使用的穩(wěn)壓源分離等，都可以對浪涌產(chǎn)生一定的抑制。綜上所述，合理的使用TVS管，對保護(hù)電子設(shè)備中的元器件以及提高電子設(shè)備的測試精度和可靠性有重要意義。目前，TVS管在電路中的作用越來越被重視，其使用將很快在國內(nèi)普及。
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