故障電壓如何因大故障電流而增加

作者：Art Kay

在上篇電氣過(guò)應(yīng)力博客中，我們介紹了瞬態(tài)電壓抑制器 （TVS） 的技術(shù)參數(shù)。在本文中，我們將介紹逐步為設(shè)計(jì)選擇最佳 TVS 的流程。

1. 考慮封裝尺寸與最大功耗。TVS 的額定功率計(jì)算方法通常是用最大鉗位電壓乘以最大峰值脈沖電流 （PPP = IPP?VC） 。最大功耗一般針對(duì) 1ms 脈沖。使用高額定功率 TVS 的優(yōu)勢(shì)是 V-I 曲線在該（擊穿）區(qū)域的斜率很陡。我們隨后會(huì)更詳細(xì)地介紹鉗位區(qū)域的 V-I 特征，但重點(diǎn)是如果給定故障電流下的器件具有更高的額定功率，故障條件下的穩(wěn)壓會(huì)更好。

注意，在圖 1 中功耗與封裝尺寸有關(guān)?？上У氖?，與放大器封裝相比 TVS 的封裝尺寸很大。但是，沒(méi)有必要為每個(gè)放大器配備 TVS。一個(gè) TVS 可用于整個(gè)電源總線，或者也許可在大型 PCB 中使用幾個(gè) TVS。在該實(shí)例中，我們將選擇 400W 的封裝來(lái)最大限度地縮小 TVS 尺寸。在后續(xù)計(jì)算中，我們將看到故障電壓如何因?yàn)榇蠊收想娏鞫黾印?/p>

圖 1：TVS 的封裝尺寸與功耗實(shí)例

2. 為應(yīng)用選擇等于最大額定工作電源電壓的反向?qū)χ烹妷骸Ｔ诒臼纠?，最大電源電壓等于指定的最大值（?3 中為 ±18V），因此我們選擇的對(duì)峙電壓是 18V。只要電源電壓小于反向?qū)χ烹妷?，TVS 漏電流就會(huì)保持為較低的水平（一般是微安級(jí)），在 TVS 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中通常由整個(gè)溫度范圍決定。表 1 是一個(gè) TVS 實(shí)例，提供 18V 對(duì)峙電壓以及與其相關(guān)的 5uA 和 10uA 漏電流。

表 1：瞬態(tài)電壓抑制器（400W 和 5000W 兩種選項(xiàng)）的技術(shù)參數(shù)實(shí)例

部件編號(hào)反向?qū)χ烹妷?a href="http://ttokpm.com/v/tag/3668/" target="_blank">VR漏電流VR IR擊穿電壓VBR擊穿電流IBR最大鉗位電壓 VC最大峰值脈沖電流 IPP峰值功率 PPP

最小最大

SMAJ18A18V5uA20.0V22.1V1mA29.2V13.7A400W

5.0SMDJ18A18V10uA20.0V22.1V1mA29.2V172A5000W

表 2：OPA192 的絕對(duì)最大額定參數(shù)表

數(shù)值單位

電源電壓±20（+40，單電源）V

信號(hào)輸入終端電壓共模（V-） - 0.5至（V+） + 0.5V

差分（V+） - （V-） + 0.2V

電流

±10mA

輸出短路連續(xù)

工作溫度-55 至 +150℃

存儲(chǔ)溫度-55 至 +150℃

結(jié)溫+150℃

靜電放電 （ESD） 額定參數(shù)人體模型 （HBM）4kV

帶電器件模型 （CDM）1kV

表 3：OPA192 的工作技術(shù)參數(shù)

電氣特性

TA = +25C，VCM = VOUT = VS/2，RLOAD = 10k?（連接至 Vs/2），另有說(shuō)明的除外。

參數(shù)測(cè)試條件最小值典型值最大值單位

電源

VS指定電壓范圍

+4.5

+36V

IQ每個(gè)放大器的靜態(tài)電流IO = 0A

11.2mA

TA = -40C 至 25C、IO = 0A

1.5mA

3. 確定 TVS 器件導(dǎo)通并保護(hù)放大器時(shí)電壓與電流的關(guān)系。要了解這一關(guān)系，您需要考慮擊穿電壓 （VBR） 和鉗位電壓 （VC）。擊穿電壓 （VBR） 是 TVS 保護(hù)開(kāi)始擊穿或“接通”以及開(kāi)始吸收大量電流的電壓點(diǎn)。增大通過(guò) TVS 的電流會(huì)導(dǎo)致其電壓稍微上升。這一上升源自串聯(lián)電阻器以及該器件的自熱。鉗位電壓是指在特定大電流下整個(gè) TVS 的電壓。在本示例中，13.7A 電流下的鉗位電壓是 29.2V（見(jiàn)表 1 中的 400W 選項(xiàng)）。TVS 的目的是將電壓限制在放大器絕對(duì)最大額定值以下。整個(gè) TVS 的實(shí)際電壓取決于通過(guò)它的電流，而且該電壓將介于擊穿電壓和鉗位電壓之間。

在圖 2 中您可以看到，V-I 特性在擊穿電壓和鉗位電壓之間呈線性?？墒褂眠@兩個(gè)點(diǎn)導(dǎo)出該線路公式。該公式可用來(lái)確定擊穿電流與最大峰值脈沖電流之間任意電流對(duì)應(yīng)的反向電壓。我們可根據(jù)預(yù)期的故障電流利用該公式得出應(yīng)用的最大電壓。公式 （1） 至 （3） 是線性方程以及本示例斜率與截距的推導(dǎo)。

圖 2：TVS 器件的 V-I 曲線

4. 估算出現(xiàn)故障時(shí)流過(guò) TVS 的最差情況電流，并計(jì)算相應(yīng)的故障電壓。最終目的是將過(guò)壓條件限制在安全水平內(nèi)（即在絕對(duì)最大電源電壓以下）。要估算故障電壓，我們必須知道我們能夠預(yù)期的故障電流。預(yù)期的故障電流取決于應(yīng)用。如果電源連接至電感負(fù)載或者應(yīng)用處于存在強(qiáng)電磁場(chǎng)的位置，故障電流可能會(huì)比較高。如果電源表現(xiàn)良好而且應(yīng)用處于屏蔽環(huán)境，故障電流可能會(huì)比較低。進(jìn)行這樣的估算，不僅可能要涉及一些工程設(shè)計(jì)假設(shè)，而且還將取決于您對(duì)估算的保守程度。對(duì)于我們所舉示例中的問(wèn)題，我選擇的故障電流假設(shè)為 2A。我們可通過(guò)計(jì)算線性方程得出 23.14V 的故障電壓限值，見(jiàn)公式 （4）。

5. 對(duì)比故障電壓與放大器絕對(duì)最大電壓。在本示例中，絕對(duì)最大電壓是 ±20V（見(jiàn)表 2），而最大故障電壓則是 2A 故障電流下的 23.14V（見(jiàn)公式 （4））。在理想情況下，故障電壓小于或等于絕對(duì)最大值，才能避免損壞器件。該 TVS 不符合這一要求。如果故障電壓大于絕對(duì)最大電壓，可考慮以下三種選項(xiàng)。

a. 使用較低額定電源電壓。在本示例中，我們將額定電源電壓設(shè)定為 ±18V，因此對(duì)峙電壓 （VR） 也被設(shè)定為 18V。該器件的絕對(duì)最大值是 ±20V。工作電壓與絕對(duì)最大電壓之間只有 2V 的差別。如果故意使用較低的額定電源電壓（例如 ±15V），那么額定電源電壓與絕對(duì)最大電壓之間的裕度就會(huì)變大（例如 Vmax – Vnominal = 20V – 15V = 5V）。裕度增大后，就更容易找到符合要求的 TVS。

b. 尋找更好的 TVS。有些 TVS 二極管可能比其它產(chǎn)品更適合您的應(yīng)用。在本示例中，我們選擇了具有 400W 額定功率的 TVS。選擇具有更高額定功率的器件可降低 2A 電流下的故障電壓。本示例中如果使用 5000W TVS 取代 400W 器件，可將故障電壓從 23.14V 降低到 22.59V。不過(guò)，您永遠(yuǎn)都找不到具有理想特性的器件，因?yàn)橹圃旃に嚩加芯窒蕖?/p>

c. 使用即便故障電壓大于絕對(duì)最大電源電壓的 TVS。從表面上看，似乎允許故障電壓超過(guò)絕對(duì)最大參數(shù)值是個(gè)極為糟糕的主意。但是，有保護(hù)總比沒(méi)保護(hù)強(qiáng)。在很多情況下，找到在整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)關(guān)閉、而在絕對(duì)最大電源極限到來(lái)之前立即導(dǎo)通的 TVS 并不現(xiàn)實(shí)。需要記住的一點(diǎn)是絕對(duì)最大技術(shù)參數(shù)存在一定的裕度。

6. 考慮成本。將搜索范圍縮小到一定程度后，可通過(guò)考慮成本來(lái)做最后的選擇。