TVS的工作原理和選型要點(diǎn)

一、TVS工作原理

TVS（Transient Voltage Suppressors），即瞬態(tài)電壓抑制器，又稱雪崩擊穿二極管。它是采用半導(dǎo)體工藝制成的單個(gè) PN 結(jié)或多個(gè) PN 結(jié)集成的器件。TVS 有單向與雙向之分，單向 TVS 一般應(yīng)用于直流供電電路，雙向 TVS 應(yīng)用于電壓交變的電路。如圖 1 所示，應(yīng)用于直流電路時(shí)單向 TVS 反向并聯(lián)于電路中，當(dāng)電路正常工作時(shí)，TVS 處于截止?fàn)顟B(tài)（高阻態(tài)），不影響電路正常工作。當(dāng)電路出現(xiàn)異常過電壓并達(dá)到TVS（雪崩）擊穿電壓時(shí)，TVS 迅速由高電阻狀態(tài)突變?yōu)榈碗娮锠顟B(tài)，泄放由異常過電壓導(dǎo)致的瞬時(shí)過電流到地，同時(shí)把異常過電壓鉗制在較低的水平，從而保護(hù)后級(jí)電路免遭異常過電壓的損壞。當(dāng)異常過電壓消失后，TVS 阻值又恢復(fù)為高阻態(tài)。

圖1 TVS工作原理

二、TVS選型過程

選擇TVS之前，我們首先要明白選擇的終極目標(biāo)：

1.電壓合適能保護(hù)后級(jí)電路；

2.引入的TVS的結(jié)電容不能影響電路；

3.TVS功率余量充足，滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，且不能比保險(xiǎn)管先掛。選型的過程可以按照以下的步驟進(jìn)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(píng)估漏電流IR的影響；

(5) 評(píng)估結(jié)電容的影響；

A、選擇TVS最高工作電壓Vrmw；

在電路正常工作情況下，TVS 應(yīng)該是不工作的，即處于截止?fàn)顟B(tài)，所以 TVS 的截止電壓應(yīng)大于被保護(hù)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(huì)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(huì)較高，所以在選擇 Vrwm 時(shí)，要綜合考慮被保護(hù)電路的工作電壓及后級(jí)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(huì)導(dǎo)致TVS反向漏電流增大，接近導(dǎo)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。

B、選擇選擇TVS鉗位電壓VC；

TVS 鉗位電壓應(yīng)小于后級(jí)被保護(hù)電路最大可承受的瞬態(tài)安全電壓，VC 與 TVS 的雪崩擊穿電壓及 IPP 都成正比。對(duì)于同一功率等級(jí)的 TVS，其擊穿電壓越高 VC 也越高，所選TVS的最大箝位電壓Vc不能大于被防護(hù)電路可以承受的最大電壓。否則，當(dāng)TVS鉗在Vc時(shí)會(huì)對(duì)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.

C、選擇TVS的功率Pppm（或者Ipp）；

TVS 產(chǎn)品的額定瞬態(tài)功率應(yīng)大于電路中可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)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(shù)，但是功率越高，TVS的封裝越大，價(jià)錢也越高，所以，TVS的功率滿足要求即可。對(duì)于不同功率等級(jí)的 TVS，相同電壓規(guī)格的 TVS 其 VC 值是一樣的，只是 IPP 不同。故 Pppm 與 Ippm成正比，Ippm 越大，Pppm 也越大。對(duì)于某一電路 ，有對(duì)應(yīng)的測(cè)試要求，設(shè)實(shí)際電路中的最大測(cè)試電流為 Iactual ，則 Iactual 可估算為：

Iactual=Uactual/Ri；---------其中 Uactual 為測(cè)試電壓，Ri為測(cè)試內(nèi)阻。

TVS 要通過測(cè)試，故實(shí)際電路中要求 10/1000μs 波形下 TVS 的最小功率 Pactual 為：-------其中di/dt為波形轉(zhuǎn)換系數(shù)，如實(shí)際測(cè)試波形為其他波形，如 8/20μs波形，建議di/dt取，如測(cè)試波形為 10/1000μs，取，實(shí)際選型中，TVS 應(yīng)留有一定的裕量，TVS 的功率Pppm 選擇應(yīng)遵循Pppm＞Pactual。

D、根據(jù)所選的TVS的結(jié)電容和漏電流評(píng)估影響

如果TVS 用在高速IO端口防護(hù)、模擬信號(hào)采樣、低功耗設(shè)備場(chǎng)合，就需要考慮結(jié)電容和漏電流的影響，兩則的參數(shù)越小越好。

三、TVS選型距離

數(shù)據(jù)都是無趣的，我們以實(shí)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(jí)電路可承受的最高瞬態(tài)電壓為50V，實(shí)驗(yàn)的測(cè)試波形為 8/20μs波形，測(cè)試電壓500V，測(cè)試電源內(nèi)阻及PPTC的靜態(tài)電阻合計(jì)為2Ω。根據(jù)上述信息選擇合適的TVS。

圖 2 設(shè)計(jì)舉例

1) 選擇TVS最高工作電壓

Vrmw≈1.1~1.2*VCC=26~28V

2) 選擇選擇TVS鉗位電壓

VC＜Vmax=50V

3) 計(jì)算實(shí)際測(cè)試波形功率：

Pactual=Vc**=50*（500/3）*1/2=4166W

審核編輯：湯梓紅