瞬態(tài)電壓抑制器的應(yīng)用

瞬態(tài)電壓抑制器的應(yīng)用

摘要：介紹了瞬態(tài)電壓抑制器的工作原理、特性參數(shù)以及使用方法。舉例說(shuō)明了在開(kāi)關(guān)電源浪涌消除上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：浪涌瞬態(tài)電壓抑制器開(kāi)關(guān)電源 　

消除噪聲干擾、防止浪涌損害一直是電子設(shè)備設(shè)計(jì)者頭痛的一件事。瞬態(tài)電壓抑制器（TVS：transientvoltagesuppressor)可以方便地解決這些問(wèn)題。

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。

1TVS的特性和主要參數(shù)

圖1TVS電壓－電流特性

1?1TVS的特性

TVS的電路符號(hào)和普通的穩(wěn)壓管相同。其電壓—電流特性曲線如圖1所示。

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。圖2是TVS的電流—時(shí)間和電壓—時(shí)間曲線。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。

1?2TVS的主要參數(shù)

（1）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。

（2）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

圖2TVS電壓（電流）時(shí)間特性

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。

（3）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20μs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。

（4）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)。

（5）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。

（6）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。

2TVS的分類(lèi)

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(zhuān)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。

3TVS的選用指南

（1）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。

（2）TVS的額定反向關(guān)斷電壓VWM應(yīng)大于或等于

被保護(hù)電路的最大工作電壓。若選用的VWM太低，器件可能進(jìn)入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。

（3）TVS的最大反向箝位電壓VC應(yīng)小于被保護(hù)

電路的損壞電壓。

（4）在規(guī)定的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，TVS的最大峰值

脈沖功率PM必須大于被保護(hù)電路可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。在確定了最大箝位電壓后，其峰值脈沖電流應(yīng)大于瞬態(tài)浪涌電流。一般TVS的最大峰值脈沖功率是以10/1000μs的非重復(fù)脈沖給出的，而實(shí)際的脈沖寬度是由脈沖源決定的，當(dāng)脈沖寬度不同時(shí)其峰值功率也不同。如某600WTVS，對(duì)1000μs脈寬最大吸收功率為600W，但是對(duì)50μs脈寬吸收功率就可達(dá)到2100W，而對(duì)10ms的脈寬最大吸收功率就只有200W了。而且吸收功率還和脈沖波形有關(guān)：如果是半個(gè)正弦波形式的脈沖，吸收功率就要減到75％，若是方波形式的脈沖，吸收功率就要減到66％。

（5）平均穩(wěn)態(tài)功率的匹配

對(duì)于需要承受有規(guī)律的、短暫的脈沖群沖擊的TVS，如應(yīng)用在繼電器、功率開(kāi)關(guān)或電機(jī)控制等場(chǎng)合，有必要引入平均穩(wěn)態(tài)功率的概念。舉例說(shuō)明，在一功率開(kāi)關(guān)電路中會(huì)產(chǎn)生120Hz，寬度為4μs，峰值電流為25A的脈沖群。選用的TVS可以將單個(gè)脈沖的電壓箝位到11?2V。此中平均穩(wěn)態(tài)功率的計(jì)算為：脈沖時(shí)間間隔等于頻率的倒數(shù)，1/120=0.0083s，峰值吸收功率是箝位電壓與脈沖電流的乘積11.2V×25A=280W，平均功率則為峰值功率與脈沖寬度對(duì)脈沖間隔比值的乘積，即280×（0.000004s/0.0083s)=0.134W。也就是說(shuō)，選用的TVS平均穩(wěn)態(tài)功率必須大于0.134W。

（6）對(duì)于數(shù)據(jù)接口電路的保護(hù)，還必須注意選取

具有合適電容C的TVS器件。

（7）根據(jù)用途選用TVS的極性及封裝結(jié)構(gòu)。交流

電路選用雙極性TVS較為合理；多線保護(hù)選用TVS陣列更為有利。

（8）溫度考慮

瞬態(tài)電壓抑制器可以在－55℃～＋150℃之間工作。如果需要TVS在一個(gè)變化的溫度下工作，由于其反向漏電流ID是隨溫度增加而增大；功耗隨TVS結(jié)溫增加而下降，從＋25℃到＋175℃，大約線性下降50％；擊穿電壓VBR隨溫度的增加按一定的系數(shù)增加。因此，必須查閱有關(guān)產(chǎn)品資料，考慮溫度變化對(duì)其特性的影響。

4TVS與壓敏電阻的比較

目前，國(guó)內(nèi)不少需要進(jìn)行浪涌保護(hù)的設(shè)備上仍然

使用的是壓敏電阻。壓敏電阻是一種金屬氧化物變阻器，TVS比壓敏電阻的性能優(yōu)越得多，其性能比較列于表1。

表1TVS與壓敏電阻性能比較

市場(chǎng)上能見(jiàn)到如下系列的TVS管：

SA系列—500W

P6KE，SMBJ系列—600W

1N5629～1N6389，1.5KE，LC，LCE系列—1500W

5KP系列—5000W

15KAP，15KP系列—15000W

其中尤以P6KE和1?5KE系列最為常見(jiàn)，它們的命名規(guī)則如下：

第一部分＋第二部分＋第三部分

第一部分……P6KE或1?5KE

第二部分……數(shù)字，代表最小擊穿電壓

第三部分……A或CA，A代表單向TVS管；CA代表雙向TVS管

例如，P6KE200A為500W最小擊穿電壓約200V的單向TVS管。

6TVS的應(yīng)用舉例

如圖3所示，為一典型的開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于開(kāi)關(guān)變壓器線圈漏感的存在，會(huì)產(chǎn)生極高的反電勢(shì)，有可能將功率開(kāi)關(guān)管擊穿。當(dāng)在開(kāi)關(guān)變壓器一次側(cè)并接上TVS管后，可以有效地吸收電壓尖峰，保護(hù)功率開(kāi)關(guān)管的安全，降低對(duì)功率開(kāi)關(guān)管耐壓的要求。TVS管的選擇如下：

圖3TVS的應(yīng)用

220V交流市電經(jīng)整流濾波后變?yōu)?a href="http://ttokpm.com/v/tag/873/" target="_blank">高壓直流供給開(kāi)關(guān)變壓器，此高壓直流變化范圍是240V～360V，而由于變壓器漏感和引線電感的存在，關(guān)斷過(guò)電壓可以高達(dá)幾千伏，功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)難于同時(shí)承受這兩種電壓。綜合考慮可以選用VWM等于200V左右的TVS，這樣將關(guān)斷過(guò)電壓控制在300V以內(nèi)，加上電源電壓，功率開(kāi)關(guān)管選用耐壓為700V的管型即可。

下面估算一下TVS管的PM值：

TVS管所耗散的功率也就是電路雜散電感所存儲(chǔ)的功率，故而轉(zhuǎn)求雜散電感存儲(chǔ)功率即可。

PM=PL=E/t=0.5LI2/t

雜散電感一般為幾個(gè)μH，這里取5μH；

100W的開(kāi)關(guān)電源原邊平均電流I=P/U=100/240=0.417A，設(shè)占空比D為0?5，則最大電流=I/D=0.417/0.5=0.833A，取I=1A；

功率開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)間一般在幾十納秒，取t=10ns，于是有：

PM=0.5×5×10－6×12/10×10－9=250W，由于開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)頻率很高，達(dá)到了100kHz以上，考慮脈沖功率的累計(jì)，PM應(yīng)成倍擴(kuò)大，結(jié)合PM的標(biāo)稱值取600W。

因此可以選用200V/600W的TVS管。由于僅在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生單向過(guò)電壓，故選用單向TVS即可，例如P6KE200A。