浪涌吸收器在產(chǎn)品測(cè)試中的應(yīng)用

摘要：在電裝車(chē)間發(fā)生元器件損壞事件，大部分都是因?yàn)檫^(guò)電應(yīng)力損傷、電流過(guò)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(jī)理，早期的浪涌吸收器響應(yīng)時(shí)間一般為μs級(jí)，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(shí)驗(yàn)，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(cè)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(duì)精度要求極高(穩(wěn)定性2．5×105)電子產(chǎn)品，裝配調(diào)試時(shí)應(yīng)將溫度、電源、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等影響因素降到最小程度。
    由于電裝車(chē)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(cè)試高精度產(chǎn)品時(shí)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)當(dāng)開(kāi)關(guān)其他用電設(shè)備(如：高溫箱、電風(fēng)扇)時(shí)，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(kāi)電感負(fù)載、繼電器的線圈或變壓器一側(cè)開(kāi)關(guān)元器件，經(jīng)常產(chǎn)生開(kāi)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(guò)程中有時(shí)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(diǎn)是作用時(shí)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(shí)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(kāi)感性負(fù)載(繼電器、變壓器等)、電容器等。如果電路設(shè)計(jì)未考慮浪涌對(duì)元器件的影響，那么，元器件就處于被浪涌損傷的危險(xiǎn)情況。這些年許多電裝車(chē)間發(fā)生數(shù)起元件損壞事件，對(duì)其中的幾個(gè)損壞的元件作失效分析，其結(jié)果多為：過(guò)電應(yīng)力損傷、電流過(guò)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(jiàn)，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(jī)理和如何消除或抑制浪涌電壓(電流)是非常重要的。
    經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的研究和試驗(yàn)，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(cè)試臺(tái)上，可以有效抑制高溫箱開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的浪涌影響。為了進(jìn)一步試驗(yàn)其可靠性，我們已經(jīng)在某工位安裝使用該器件4個(gè)月，結(jié)果表明這款電子產(chǎn)品測(cè)試試驗(yàn)時(shí)很少發(fā)生跳大數(shù)現(xiàn)象。

1 浪涌的抑制方法以及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
    最常見(jiàn)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(shí)間短(ns或μs級(jí))、量級(jí)大(幾百到幾千V)，這就對(duì)浪涌吸收器提出2個(gè)要求：響應(yīng)時(shí)間快；短期過(guò)載能力強(qiáng)。
    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(shí)間一般為μs級(jí)，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(lái)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(shí)脈沖功率高達(dá)上kW，其箝位響應(yīng)時(shí)間僅為1 ps，允許的正向浪涌電流可達(dá)50～200A。
    TVS在美國(guó)應(yīng)用十分廣泛，特別是在軍事電子裝備中非常重視，美國(guó)軍標(biāo)不僅出版了不少TVS器件的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)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(shí)例；文獻(xiàn)中也談到了TVS的應(yīng)用。TVS在國(guó)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(diǎn)，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(diǎn)與電特性
    TVS器件的特點(diǎn)：在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下，當(dāng)承受一個(gè)高能量的瞬時(shí)過(guò)壓脈沖時(shí)，其工作阻抗能立即降至很低的導(dǎo)通值，允許大電流通過(guò)，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(diǎn)近似“直角”為硬擊穿是典型的PN結(jié)雪崩器件。從擊穿點(diǎn)到UC值所對(duì)應(yīng)的曲線段表明，當(dāng)有瞬時(shí)過(guò)壓脈沖時(shí)，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(gè)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(duì)稱(chēng)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(guò)拉電壓Vc，就會(huì)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(duì)電子產(chǎn)品測(cè)試的可靠性和精確度，以及TVS器件的電特性?xún)煞矫婵紤]，TVS器件在電子設(shè)備中的使用如下：
    首先，保護(hù)被測(cè)電子產(chǎn)品免受浪涌的損傷，提高測(cè)試的可靠度。在產(chǎn)品通電過(guò)程中，來(lái)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(jiàn)圖3)。當(dāng)瞬時(shí)脈沖峰值電流出現(xiàn)時(shí)，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(lái)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(cè)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(cè)試結(jié)果。
    結(jié)合使用的實(shí)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(jì)：電子系統(tǒng)生產(chǎn)100次故障中，90次來(lái)自電源，10次是電子本身，可見(jiàn)電源的可靠性最重要，要提高整機(jī)可靠性，首先提高電源的可靠性。對(duì)于開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，影響電源輸出的3種瞬變類(lèi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源的誤動(dòng)作或元器件失效。所以，應(yīng)該用TVS管保護(hù)開(kāi)關(guān)電源中以下元器件：高反壓開(kāi)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(duì)于直流穩(wěn)壓電源來(lái)說(shuō)，在每個(gè)穩(wěn)壓源輸出端和地之間加一個(gè)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(jī)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(dòng)機(jī))負(fù)載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高壓反電勢(shì)，往往使晶體管損壞。因?yàn)檐姽る娮赢a(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(duì)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(lái)越高，其耐壓越來(lái)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(yùn)放免受過(guò)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(duì)于大量使用的精密運(yùn)算放大器，其價(jià)格比較高，加入TVS保護(hù)后可以降低損壞風(fēng)險(xiǎn)，提高系統(tǒng)抗干擾能力和強(qiáng)度。
    目前，大多公司使用了較多的厚膜二次集成電路，此類(lèi)型集成電路在使用過(guò)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(gè)亟待試驗(yàn)的課題。

4 TVS管在產(chǎn)品測(cè)試中的使用情況
    如前所述某產(chǎn)品對(duì)高溫箱的開(kāi)關(guān)很敏感，為了避免高溫箱開(kāi)關(guān)對(duì)某產(chǎn)品測(cè)試的影響，進(jìn)行如下試驗(yàn)：
    (1)沒(méi)有TVS管時(shí)的情況：某產(chǎn)品在零位上穩(wěn)定性測(cè)試過(guò)程中，在開(kāi)關(guān)高溫箱的瞬時(shí)，由于高溫箱的電感性，產(chǎn)生瞬時(shí)脈沖電壓，直接影響到產(chǎn)品的精度測(cè)試。再多次試驗(yàn)中均可以觀測(cè)到相同現(xiàn)象。
    (2)有TVS管時(shí)的情況：給產(chǎn)品的供電電源經(jīng)檢測(cè)設(shè)備增加一個(gè)TVS管后，啟動(dòng)產(chǎn)品測(cè)試程序，人為開(kāi)關(guān)高溫箱，測(cè)試數(shù)據(jù)表1所示。由表中數(shù)據(jù)可以看出，測(cè)試設(shè)備增加TVS管后，輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定，無(wú)明顯異常跳變，產(chǎn)品抗干擾能力增加。

5 結(jié)語(yǔ)
    TVS管是一種價(jià)錢(qián)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(cè)試過(guò)程中，存在電源接反的可能性，如果在測(cè)試設(shè)備的電源輸入端增加TVS管，當(dāng)電源接反時(shí)，反向電源將流過(guò)TVS管而不進(jìn)入產(chǎn)品。
    浪涌的抑制是多方面的，必須通過(guò)設(shè)計(jì)單位和生產(chǎn)單位共同解決。如果設(shè)計(jì)人員在早期的電路設(shè)計(jì)中，考慮到防止浪涌對(duì)元器件的損壞，給需要保護(hù)的元器件增加TVS管，將會(huì)大大減少調(diào)試過(guò)程中元器件的損傷。在后期的產(chǎn)品調(diào)試中，從測(cè)試設(shè)備方面來(lái)講，必須考慮到抑制浪涌。其次車(chē)間電網(wǎng)的合理接地，干擾源(如高溫箱)與測(cè)試設(shè)備使用的穩(wěn)壓源分離等，都可以對(duì)浪涌產(chǎn)生一定的抑制。綜上所述，合理的使用TVS管，對(duì)保護(hù)電子設(shè)備中的元器件以及提高電子設(shè)備的測(cè)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(lái)越被重視，其使用將很快在國(guó)內(nèi)普及。