TVS瞬態(tài)干擾抑制器性能與應(yīng)用
2017-05-12 09:47:19
lipscall
硅瞬變吸收二極管的工作有點(diǎn)象普通的穩(wěn)壓管，是箝位型的干擾吸收器件；其應(yīng)用是與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)使用。 硅瞬變電壓吸收二極管具有極快的響應(yīng)時(shí)間(亞納秒級(jí))和相當(dāng)高的浪涌吸收能力，及極多的電壓檔次。可用于保護(hù)設(shè)備或電路免受靜電、電感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變電壓，以及感應(yīng)雷所產(chǎn)生的過(guò)電壓。
TVS管有單方向(單個(gè)二極管)和雙方向(兩個(gè)背對(duì)背連接的二極管)兩種，它們的主要參數(shù)是擊穿電壓、漏電流和電容。使用中TVS管的擊穿電壓要比被保護(hù)電路工作電壓高10％左右，以防止因線路工作電壓接近TVS擊穿電壓，使TVS漏電流影響電路正常工作；也避免因環(huán)境溫度變化導(dǎo)致TVS管擊穿電壓落入線路正常工作電壓的范圍。
TVS管有多種封裝形式，如軸向引線產(chǎn)品可用在電源饋線上；雙列直插的和表面貼裝的適合于在印刷板上作為邏輯電路、I/O總線及數(shù)據(jù)總線的保護(hù)。(相關(guān)閱讀：TVS與壓敏電阻的那點(diǎn)“不同”)
TVS的特性
TVS的電路符號(hào)和普通的穩(wěn)壓管相同。其正向特性與普通二極管相同，反向特性為典型的PN結(jié)雪崩器件。
在浪涌電壓的作用下，TVS兩極間的電壓由額定反向關(guān)斷電壓VWM上升到擊穿電壓VBR，而被擊穿。隨著擊穿電流的出現(xiàn)，流過(guò)TVS的電流將達(dá)到峰值脈沖電流IPP，同時(shí)在其兩端的電壓被箝位到預(yù)定的最大箝位電壓VC以下。
其后，隨著脈沖電流按指數(shù)衰減，TVS兩極間的電壓也不斷下降，最后恢復(fù)到初態(tài)，這就是TVS抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖功率，保護(hù)電子元器件的過(guò)程。
當(dāng)TVS兩極受到反向高能量沖擊時(shí)，它能以10~12s級(jí)的速度，將其兩極間的阻抗由高變低，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電位箝位于預(yù)定值，有效地保護(hù)電子設(shè)備中的元器件免受浪涌脈沖的損害。
TVS具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓容易控制、體積小等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于家用電器、電子儀表、通訊設(shè)備、電源、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域。
TVS的主要參數(shù)（推薦閱讀：高速電路保險(xiǎn)絲的保護(hù)方法）
*最大反向漏電流ID和額定反向關(guān)斷電壓VWM。VWM是TVS最大連續(xù)工作的直流或脈沖電壓，當(dāng)這個(gè)反向電壓加于TVS的兩極間時(shí)它處于反向關(guān)斷狀態(tài)，流過(guò)它的電流應(yīng)小于或等于其最大反向漏電流ID。
*最小擊穿電壓VBR和擊穿電流IR。VBR是TVS最小的擊穿電壓。在25℃時(shí)，低于這個(gè)電壓TVS是不會(huì)發(fā)生雪崩的。當(dāng)TVS流過(guò)規(guī)定的1mA電流(IR)時(shí)，加于TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓VBR。按TVS的VBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度，可把VBR分為5％和10％兩種。對(duì)于5％的VBR來(lái)說(shuō)，VWM=0.85VBR；對(duì)于10％的VBR來(lái)說(shuō)，VWM=0.81VBR。
*最大箝位電壓VC和最大峰值脈沖電流IPP。當(dāng)持續(xù)時(shí)間為20mS的脈沖峰值電流IPP流過(guò)TVS時(shí)，在其兩端出現(xiàn)的最大峰值電壓為VC。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC與VBR之比稱為箝位因子，一般在1.2~1.4之間。
*電容量C。電容量C是由TVS雪崩結(jié)截面決定的，是在特定的1MHz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，C是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS的重要參數(shù)。
*最大峰值脈沖功耗PM。PM是TVS能承受的最大峰值脈沖功率耗散值。在給定的最大箝位電壓下，功耗PM越大，其浪涌電流的承受能力越大；在給定的功耗PM下，箝位電壓VC越低，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、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)脈沖是不重復(fù)的，器件規(guī)定的脈沖重復(fù)頻率(持續(xù)時(shí)間與間歇時(shí)間之比)為0.01％。如果電路內(nèi)出現(xiàn)重復(fù)性脈沖，應(yīng)考慮脈沖功率的累積，有可能損壞TVS。
*箝位時(shí)間TC。TC是從零到最小擊穿電壓VBR的時(shí)間。對(duì)單極性TVS小于1×10-12s；對(duì)雙極性TVS小于10×10-12s。
TVS的分類
TVS器件按極性可分為單極性和雙極性兩種；按用途可分為通用型和專用型；按封裝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為：軸向引線二極管、雙列直插TVS陣列、貼片式和大功率模塊等。軸向引線的產(chǎn)品峰值功率可以達(dá)到400W、500W、600W、1500W和5000W。其中大功率的產(chǎn)品主要用在電源饋線上，低功率產(chǎn)品主要用在高密度安裝的場(chǎng)合。對(duì)于高密度安裝的場(chǎng)合還可以選擇雙列直插和表面貼裝的封裝形式。
4TVS的選用
*確定被保護(hù)電路的最大直流或連續(xù)工作電壓，電路的額定標(biāo)準(zhǔn)電壓和最大可承受電壓。
*TVS的額定反向關(guān)斷電壓VWM應(yīng)
如果電機(jī)是AC24V的，在電機(jī)方向線對(duì)地接一個(gè)470K壓敏電阻；如果電機(jī)是AC220V，則加471K壓敏電阻。意義重要是消除電機(jī)換相產(chǎn)生的尖峰高壓。
壓敏電阻雖然能吸收很大的浪涌電能量，但不能承受毫安級(jí)以上的持續(xù)電流，在用作過(guò)壓保護(hù)時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)。壓敏電阻的選用，一般選擇標(biāo)稱壓敏電壓V1mA和通流容量?jī)蓚€(gè)參數(shù)。
1、所謂壓敏電壓，即擊穿電壓或閾值電壓。指在規(guī)定電流下的電壓值，大多數(shù)情況下用1mA直流電流通入壓敏電阻器時(shí)測(cè)得的電壓值，其產(chǎn)品的壓敏電壓范圍可以從10－9000V不等。可根據(jù)具體需要正確選用。
一般V1mA=1.5Vp=2.2VAC，式中，Vp為電路額定電壓的峰值。VAC為額定交流電壓的有效值。ZnO壓敏電阻的電壓值選擇是至關(guān)重要的，它關(guān)系到保護(hù)效果與使用壽命。
如一臺(tái)用電器的額定電源電壓為220V，則壓敏電阻電壓值V1mA=1.5Vp=1.5×1.414×220V=476V，V1mA=2.2VAC=2.2×220V=484V，因此壓敏電阻的擊穿電壓可選在470－480V之間。
2、所謂通流容量，即最大脈沖電流的峰值是環(huán)境溫度為25℃情況下，對(duì)于規(guī)定的沖擊電流波形和規(guī)定的沖擊電流次數(shù)而言，壓敏電壓的變化不超過(guò)± 10％時(shí)的最大脈沖電流值。為了延長(zhǎng)器件的使用壽命，ZnO壓敏電阻所吸收的浪涌電流幅值應(yīng)小于手冊(cè)中給出的產(chǎn)品最大通流量。
然而從保護(hù)效果出發(fā)，要求所選用的通流量大一些好。在許多情況下，實(shí)際發(fā)生的通流量是很難精確計(jì)算的，則選用2－20KA的產(chǎn)品。如手頭產(chǎn)品的通流量不能滿足使用要求時(shí)，可將幾只單個(gè)的壓敏電阻并聯(lián)使用，并聯(lián)后的壓敏電不變，其通流量為各單只壓敏電阻數(shù)值之和。要求并聯(lián)的壓敏電阻伏安特性盡量相同，否則易引起分流不均勻而損壞壓敏電阻。
3, 標(biāo)稱電壓選取
一般地說(shuō)，壓敏電阻器常常與被保護(hù)器件或裝置并聯(lián)使用，在正常情況下，壓敏電阻器兩端的直流或交流電壓應(yīng)低于標(biāo)稱電壓，即使在電源波動(dòng)情況最壞時(shí)，也不應(yīng)高于額定值中選擇的最大連續(xù)工作電壓，該最大連續(xù)工作電壓值所對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱電壓值即為選用值。對(duì)于過(guò)壓保護(hù)方面的應(yīng)用，壓敏電壓值應(yīng)大于實(shí)際電路的電壓值，一般應(yīng)使用下式進(jìn)行選擇：
VmA＝av／bc 式中：a為電路電壓波動(dòng)系數(shù)，一般取1.2；v為電路直流工作電壓（交流時(shí)為有效值）；b為壓敏電壓誤差，一般取0.85；c為元件的老化系數(shù)，一般取0.9；
這樣計(jì)算得到的VmA實(shí)際數(shù)值是直流工作電壓的1．5倍，在交流狀態(tài)下還要考慮峰值，因此計(jì)算結(jié)果應(yīng)擴(kuò)大1．414倍。另外，選用時(shí)還必須注意：
(1) 必須保證在電壓波動(dòng)最大時(shí)，連續(xù)工作電壓也不會(huì)超過(guò)最大允許值，否則將縮短壓敏電阻的使用壽命；
(2) 在電源線與大地間使用壓敏電阻時(shí)，有時(shí)由于接地不良而使線與地之間電壓上升，所以通常采用比線與線間使用場(chǎng)合更高標(biāo)稱電壓的壓敏電阻器。
壓敏電阻所吸收的浪涌電流應(yīng)小于產(chǎn)品的最大通流量