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[导读]提到TVS,相信大部分电子工程师都知道,它是用来端口防护的,防止端口瞬间的电压冲击造成后级电路的损坏。虽然TVS在电路中具有举足轻重的地位,但针对TVS的选型过程,很多厂家都是直接给推荐电路,直接告诉设计者答案“你应该选择哪个器件”,却很少对选型过程提供理论计算。而大部分电子工程...


提到TVS,相信大部分电子工程师都知道,它是用来端口防护的,防止端口瞬间的电压冲击造成后级电路的损坏。


虽然TVS在电路中具有举足轻重的地位,但针对TVS的选型过程,很多厂家都是直接给推荐电路,直接告诉设计者答案“你应该选择哪个器件”,却很少对选型过程提供理论计算。


而大部分电子工程师在对面TVS选型的时候,新人凭参考,老人凭经验,一旦更换厂家或者更换测试条件,就无从下手了……本文就专门解决这一问题,让新人老人对TVS选型都能得心应手。


都是限制个电压,为何人家的选型就比我优秀?


1、工作原理


TVS(Transient Voltage Suppressors),即瞬态电压抑制器,又称雪崩击穿二极管。它是采用半导体工艺制成的单个PN结,或多个PN结集成的器件。


TVS有单向与双向之分:单向TVS一般应用于直流供电电路;双向TVS应用于电压交变的电路。


如图1所示,应用于直流电路时单向TVS反向并联于电路中,当电路正常工作时,TVS处于截止状态(高阻态),不影响电路正常工作。


当电路出现异常过电压并达到TVS(雪崩)击穿电压时,TVS迅速由高电阻状态突变为低电阻状态,泄放由异常过电压导致的瞬时过电流到地,同时把异常过电压钳制在较低的水平,从而保护后级电路免遭异常过电压的损坏。


当异常过电压消失后,TVS阻值又恢复为高阻态。



图1:TVS工作原理


2、关键参数


工欲善其事,必先利其器,要用好TVS,必须先了解其关键的参数。(1)Vrwm截止电压TVS的最高工作电压,可连续施加而不引起TVS劣化或损坏的最高工作峰值电压或直流峰值电压。对于交流电压,用最高工作电压有效值表示,在V RWM 下,TVS认为是不工作的,即是不导通的。换一句话,电路的最高工作电压必须小于Vrwm,否则将会导致TVS动作导致电路异常。(2)I R漏电流漏电流,也称待机电流。在规定温度和最高工作电压条件下,流过TVS的最大电流。TVS的漏电流一般是在截止电压下测量,对于某一型号TVS,I R应在规定值范围内。对TVS两端施加电压值为 V RWM ,从电流表中读出的电流值即为TVS的漏电流 I R。对于同功率和同电压的TVS,在V RWM ≤10V 时,双向TVS漏电流是单向TVS漏电流的2倍。对于一些模拟端口,漏电流会影响AD的采样值,所以TVS的漏电流越小越好。(3)VBR击穿电压击穿电压,指在V-I特性曲线上,在规定的脉冲直流电流I T或接近发生雪崩的电流条件下测得TVS两端的电压。测试的电流It一般选取10mA左右,施加的电流的时间不应超过400ms,以免损坏器件,VBR MIN和VBR MAX是TVS击穿电压的一个偏差,一般TVS为±5%的偏差。测量时,V BR落在 V BR MIN .和 V BR MAX .之间视为合格品。(4)I PP峰值脉冲电流,V C钳位电压峰值脉冲电流,给定脉冲电流波形的峰值。TVS一般选用10/1000μs电流波形。钳位电压,施加规定波形的峰值脉冲电流I PP时,TVS两端测得的峰值电压。I PP及V C是衡量TVS在电路保护中抵抗浪涌脉冲电流及限制电压能力的参数,这两个参数是相互联系的。对于TVS在防雷保护电路中的钳位特性,可以参考V C这个参数。对于相同型号TVS,在相同I PP下的V C越小,说明TVS的钳位特性越好。TVS的耐脉冲电流冲击能力可以参考I PP,同型号的TVS,I PP越大,耐脉冲电流冲击能力越强。(5)电容CI,漏电流Ir结电容是TVS中的寄生电容,在高速IO端口保护需要重点关注,过大的结电容可能会影响信号的质量。漏电流主要带来了功率的损耗,或者是在模拟信号中,会影响AD信号的采样值。图2:厂家一般都是提供10/1000μs的测试波形
图3:TVS的关键参数

3、选型过程


了解了TVS的基本参数,我们就开始进入最重要的TVS选型的过程了。选择TVS之前,我们首先要明白选择的终极目标:
  • 电压合适能保护后级电路

  • 引入的TVS的结电容不能影响电路

  • TVS功率余量充足,满足测试标准,且不能比保险管先挂


选型的过程,可以按照以下的步骤进行:
  • 选择TVS最高工作电压Vrmw

  • 选择TVS钳位电压VC

  • 选择TVS的功率

  • 评估漏电流Ir的影响

  • 评估结电容的影响


(1)选择TVS最高工作电压Vrmw
在电路正常工作情况下,TVS应该是不工作的,即处于截止状态,所以TVS 的截止电压应大于被保护电路的最高工作电压。这样才能保证TVS在电路正常工作下不会影响电路工作。但是,TVS的工作电压高低也决定了TVS钳位电压的高低,在截止电压大于线路正常工作电压的情况下,TVS工作电压也不能选取的过高,如果太高,钳位电压也会较高。所以,在选择Vrwm时,要综合考虑被保护电路的工作电压及后级电路的承受能力。要求Vrwm要大于工作电压,否则工作电压大于Vrwm会导致TVS反向漏电流增大,接近导通,或者雪崩击穿,影响正常电路工作。综合考虑,Vrwm可以参考以下的公式:Vrwm≈1.1~1.2*VCC ;--------其中VCC为电路的最高工作电压。(2)选择选择TVS钳位电压VCTVS钳位电压应小于后级被保护电路最大可承受的瞬态安全电压,VC与TVS 的雪崩击穿电压及I PP都成正比。对于同一功率等级的TVS,其击穿电压越高V C也越高,所选TVS的最大箝位电压Vc不能大于被防护电路可以承受的最大电压。否则,当TVS钳在Vc时会对电路造成损坏。Vc可以参考以下的公式:VC<Vmax ;-----其中Vmax为电路能承受的最高电压。(3)选择TVS的功率Pppm(或者Ipp)TVS产品的额定瞬态功率应大于电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率,理论上,TVS的功率越大越好,能够承受更多的冲击能量和次数,但是功率越高,TVS的封装越大,价钱也越高。所以,TVS的功率满足要求即可。对于不同功率等级的TVS,相同电压规格的TVS其V C值是一样的,只是I PP不同。故Pppm与Ippm成正比,Ippm越大,Pppm也越大。对于某一电路,有对应的测试要求,设实际电路中的最大测试电流为 Iactual,则 Iactual可估算为:Iactual=Uactual/Ri;---------其中Uactual为测试电压,Ri为测试内阻。TVS要通过测试,故实际电路中要求10/1000μs波形下TVS的最小功率P actual 为:-------其中di/dt为波形转换系数,如实际测试波形为其他波形,如8/20μs波形,建议di/dt取,如测试波形为10/1000μs,实际选型中,TVS应留有一定的裕量,TVS的功率PPMP选择应遵循Pppm>Pactual。(4)根据所选的TVS的结电容和漏电流评估影响如果TVS用在高速IO端口防护、模拟信号采样、低功耗设备场合,就需要考虑结电容和漏电流的影响,两则的参数越小越好。4、选型举例


数据都是无趣的,我们以实际的案例举例:电路的正常工作电压VCC是24V,最高工作电压Vmax是26V,后级电路可承受的最高瞬态电压为50V,实验的测试波形为8/20μs波形,测试电压500V,测试电源内阻及PPTC的静态电阻合计为2Ω。根据上述信息选择合适的TVS。图4:设计举例(1)选择TVS最高工作电压

Vrmw≈1.1~1.2*VCC=26~28V

(2)选择选择TVS钳位电压VC<Vmax=50V(3)计算实际测试波形功率

Pact=50*(500/3)*1/2=4166W

根据计算结果,可以选用5.0SMDJ26A这个TVS,由于这个TVS用在电源端口,结电容和漏电流基本可以忽略不计。

图55.0SMDJ26A TVS关键参数作者:阿甘来源:芯片之家版权归原作者所有,如有侵权,请联系删除。

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