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TVS管計算和選型
發布時間 : 2021-05-06 14:31:46 瀏覽量 :

提到TVS,大家都知道是用來端口防護的,防止端口瞬間的電壓沖擊造成后級電路的損壞。由于其在電路中的極其重要的地位,但是,針對TVS的選型過程,很多廠家都是直接給推薦電路,直接告訴設計者答案選擇哪個器件,卻很少對選型過程提供理論計算,大部分的電子工程師針對TVS選型的時候,老人憑經驗,新人憑參考,一旦更換廠家或者更換測試條件,就無從下手了,本文就專門解決該問題,讓新人老人對TVS選型都能得心應手。

01
TVS工作原理
TVS(Transient Voltage Suppressors),即瞬態電壓抑制器,又稱雪崩擊穿天博官网。它是采用半導體工藝制成的單個 PN 結或多個 PN 結集成的器件。TVS 有單向與雙向之分,單向 TVS 一般應用于直流供電電路,雙向 TVS 應用于電壓交變的電路。如圖 1 所示,應用于直流電路時單向 TVS 反向并聯于電路中,當電路正常工作時,TVS 處于截止狀態(高阻態),不影響電路正常工作。當電路出現異常過電壓并達到TVS(雪崩)擊穿電壓時,TVS 迅速由高電阻狀態突變為低電阻狀態,泄放由異常過電壓導致的瞬時過電流到地,同時把異常過電壓鉗制在較低的水平,從而保護后級電路免遭異常過電壓的損壞。當異常過電壓消失后,TVS 阻值又恢復為高阻態。
圖1 :TVS工作原理
 

TVS管

02
TVS關鍵參數
工欲善其事,必先利其器,要用好TVS,必須先了解其關鍵的參數。
  1. Vrwm截止電壓: TVS 的最高工作電壓,可連續施加而不引起 TVS 劣化或損壞的最高工作峰值電壓或直流峰值電壓。對于交流電壓,用最高工作電壓有效值表示,在 V RWM 下,TVS 認為是不工作的,即是不導通的。換一句話,電路的最高工作電壓必須小于Vrwm,否則將會導致TVS動作導致電路異常。
    (2) I R 漏電流:  漏電流,也稱待機電流。在規定溫度和最高工作電壓條件下,流過 TVS 的最大電流。TVS 的漏電流一般是在截止電壓下測量,對于某一型號 TVS, I R 應在規定值范圍內。對 TVS 兩端施加電壓值為 V RWM ,從電流表中讀出的電流值即為 TVS的漏電流 I R 。對于同功率和同電壓的 TVS,在 V RWM ≤10V 時,雙向 TVS 漏電流是單向 TVS 漏電流的 2 倍。對于一些模擬端口,漏電流會影響AD的采樣值,所以TVS的漏電流越小越好。
    (3) V BR 擊穿電壓   擊穿電壓,指在 V-I 特性曲線上,在規定的脈沖直流電流 I T 或接近發生雪崩的電流條件下測得 TVS 兩端的電壓。測試的電流It一般選取10mA左右,施加的電流的時間不應超過400ms,以免損壞器件,V BR MIN .和 V BR MAX .是 TVS 擊穿電壓的一個偏差,一般 TVS 為±5%的偏差。測量時,V BR 落在 V BR MIN .和 V BR MAX .之間視為合格品。
    (4) I PP 峰值脈沖電流 ,V C 鉗位電壓 峰值脈沖電流,給定脈沖電流波形的峰值。TVS 一般選用 10/1000μs 電流波形。鉗位電壓,施加規定波形的峰值脈沖電流 I PP 時,TVS 兩端測得的峰值電壓。I PP 及 V C 是衡量 TVS 在電路保護中抵抗浪涌脈沖電流及限制電壓能力的參數,這兩個參數是相互聯系的。對于 TVS 在防雷保護電路中的鉗位特性,可以參考 V C 這個參數。對于相同型號 TVS,在相同 I PP 下的V C 越小,說明 TVS 的鉗位特性越好。TVS 的耐脈沖電流沖擊能力可以參考 I PP ,同型號的 TVS,I PP 越大,耐脈沖電流沖擊能力越強。
    (5) 結電容CI,漏電流Ir; 結電容是TVS中的寄生電容,在高速IO端口保護需要重點關注,過大的結電容可能會影響信號的質量。漏電流主要帶來了功率的損耗,或者是在模擬信號中,會影響AD信號的采樣值。
 
圖2,廠家一般都是提供10/1000μs的測試波形

TVS管

 
圖3 :TVS的關鍵參數

TVS管

 
03
TVS選型過程

了解了TVS的基本參數,天博真人就開始進入最重要的TVS選型的過程了。選擇TVS之前,天博真人首先要明白選擇的終極目標: 1.電壓合適能保護后級電路; 2.引入的TVS的結電容不能影響電路; 3.TVS功率余量充足,滿足測試標準,且不能比保險管先掛。選型的過程可以按照以下的步驟進行: 
(1) 選擇TVS最高工作電壓Vrmw;
(2) 選擇TVS鉗位電壓VC; 
(3) 選擇TVS的功率;
(4) 評估漏電流Ir的影響;
(5) 評估結電容的影響;   選擇TVS最高工作電壓Vrmw; 在電路正常工作情況下,TVS 應該是不工作的,即處于截止狀態,所以 TVS 的截止電壓應大于被保護電路的最高工作電壓。這樣才能保證 TVS 在電路正常工作下不會影響電路工作。但是 TVS 的工作電壓高低也決定了 TVS 鉗位電壓的高低,在截止電壓大于線路正常工作電壓的情況下,TVS 工作電壓也不能選取的過高,如果太高,鉗位電壓也會較高,所以在選擇 Vrwm 時,要綜合考慮被保護電路的工作電壓及后級電路的承受能力。要求Vrwm要大于工作電壓,否則工作電壓大于Vrwm會導致TVS反向漏電流增大,接近導通,或者雪崩擊穿,影響正常電路工作。綜合考慮, Vrwm可以參考以下的公式: Vrwm≈1.1~1.2*VCC ;--------其中VCC為電路的最高工作電壓。
選擇選擇TVS鉗位電壓VC; TVS 鉗位電壓應小于后級被保護電路最大可承受的瞬態安全電壓,VC 與 TVS 的雪崩擊穿電壓及 I PP 都成正比。對于同一功率等級的 TVS,其擊穿電壓越高 V C 也越高,所選TVS的最大箝位電壓Vc不能大于被防護電路可以承受的最大電壓。否則,當TVS鉗在Vc時會對電路造成損壞。Vc可以參考以下的公式:
VC<Vmax ;-----其中Vmax為電路能承受的最高電壓.
選擇TVS的功率Pppm(或者Ipp); TVS 產 品的額定瞬態功率應大于電路中可能出現的最大瞬態浪涌功率,理論上,TVS的功率越大越好,能夠承受更多的沖擊能量和次數,但是功率越高,TVS的封裝越大,價錢也越高,所以,TVS的功率滿足要求即可。對于不同功率等級的 TVS,相同電壓規格的 TVS 其 V C 值是一樣的,只是 I PP 不同。故 Pppm 與 Ippm成正比,Ippm 越大,Pppm 也越大。

對于某一電路 ,有對應的測試要求,設實際電路中的最大測試電流為 Iactual ,則 Iactual 可估算為: Iactual=Uactual/Ri;---------其中 Uactual 為測試電壓,Ri為測試內阻。
TVS 要通過測試,故實際電路中要求 10/1000μs 波形下 TVS 的最小功率 P actual 為:-------其中di/dt為波形轉換系數,如實際測試波形為其他波形,如 8/20μs波形,建議di/dt取,如測試波形為 10/1000μs,取,實際選型中,TVS 應留有一定的裕量,TVS 的功率PPMP 選擇應遵循Pppm>Pactual。
根據所選的TVS的結電容和漏電流評估影響 如果TVS 用在高速IO端口防護、模擬信號采樣、低功耗設備場合,就需要考慮結電容和漏電流的影響,兩則的參數越小越好。
04
TVS選型距離
數據都是無趣的,天博真人以實際的案例舉例。
電路的正常工作電壓VCC是24V,最高工作電壓Vmax是26V,后級電路可承受的最高瞬態電壓為50V,實驗的測試波形為 8/20μs波形,測試電壓500V,測試電源內阻及PPTC的靜態電阻合計為2Ω。根據上述信息選擇合適的TVS。
圖4 :設計舉例

TVS管