瞬變電壓抑制二極管(TVS)的特性及其參數(shù)

電壓及電流的瞬態(tài)干擾是造成電子電路及設(shè)備損壞的主要原因，常給人們帶來無法估量的損失。這些干擾通常來自于電力設(shè)備的起停操作、交流電網(wǎng)的不穩(wěn)定、雷電干擾及靜電放電等，瞬態(tài)干擾幾乎無處不在、無時(shí)不有，使人感到防不勝防。幸好，一種高效能的電路保護(hù)器件TVS的出現(xiàn)使瞬態(tài)干擾得到了有效抑制。

TVS(TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR)或稱瞬變電壓抑制二極管是在穩(wěn)壓管工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新產(chǎn)品。其電路符號(hào)和普通穩(wěn)壓二極管相同，外形也與普通二極管無異，當(dāng)TVS管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，它能以極高的速度(最高達(dá)1*10-12秒)使其阻抗驟然降低，同時(shí)吸收一個(gè)大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。

TVS的特性及其參數(shù)

圖1 TVS特性曲線

TVS的特性

如果用圖示儀觀察TVS的特性，就可得到圖1中左圖所示的波形。如果單就這個(gè)曲線來看,TVS管和普通穩(wěn)壓管的擊穿特性沒有什么區(qū)別，為典型的PN結(jié)雪崩器件。

但這條曲線只反映了TVS特性的一個(gè)部分，還必須補(bǔ)充右圖所示的特性曲線，才能反映TVS的全部特性。這是在雙蹤示波器上觀察到的TVS管承受大電流沖擊時(shí)的電流及電壓波形。

圖中曲線1是TVS管中的電流波形，它表示流過TVS管的電流由1mA突然上升到峰值，然后按指數(shù)規(guī)律下降，造成這種電流沖擊的原因可能是雷擊、過壓等。曲線2是TVS管兩端電壓的波形，它表示TVS中的電流突然上升時(shí)，TVS兩端電壓也隨之上升，但最大只上升到VC值，這個(gè)值比擊穿電壓VBR略大，從而對(duì)后面的電路元件起到保護(hù)作用。

TVS的參數(shù)

圖2 TVS特性及參數(shù)

A. 擊穿電壓(VBR)：TVS在此時(shí)阻抗驟然降低，處于雪崩擊穿狀態(tài)。

B. 測(cè)試電流(IT)：TVS的擊穿電壓VBR在此電流下測(cè)量而得。一般情況下IT取1MA。

C. 反向變位電壓(VRWM)：TVS的最大額定直流工作電壓,當(dāng)TVS兩端電壓繼續(xù)上升，TVS將處于高阻狀態(tài)。

D. 最大反向漏電流(IR)：在工作電壓下測(cè)得的流過TVS的最大電流。

E. 最大峰值脈沖電流(IPP)：TVS允許流過的最大浪涌電流，它反映了TVS的浪涌抑制能力。

F. 最大箝位電壓(VC)：當(dāng)TVS管承受瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，管子中流過大電流，峰值為IPP，端電壓由VRWM值上升到VC值就不再上升了，從而實(shí)現(xiàn)了保護(hù)作用。浪涌過后，隨時(shí)間IPP以指數(shù)形式衰減，當(dāng)衰減到一定值后，TVS兩端電壓由VC開始下降,恢復(fù)原來狀態(tài)。最大箝位電壓VC與擊穿電壓VBR之比稱箝位因子Cf，表示為Cf= VC /VBR，一般箝位因子僅為1.2～1.4。

G. 峰值脈沖功率(PP)：PP按峰值脈沖功率的不同TVS分為四種，有500W、600W、1500W和5000W。最大峰值脈沖功率：最大峰值脈沖功率為：PN=VC·IPP。顯然，最大峰值脈沖功率愈大,TVS所能承受的峰值脈沖電流IPP愈大;另一方面，額定峰值脈沖功率PP確定以后，所TVS能承受的峰值脈沖電流IPP，隨著最大箝位電壓VC的降低而增加。TVS最大允許脈沖功率除了和峰值脈沖電流和箝位電壓有關(guān)外，還和脈沖波形、脈沖持續(xù)時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)。

TVS所能承受的瞬時(shí)脈沖峰值可達(dá)數(shù)百安培，其箝位響應(yīng)時(shí)間僅為1*10-12 秒;TVS所允許的正向浪涌電流,在 25℃,1/120秒的條件下,也可達(dá)50-200安培。一般地說,TVS所能承受的瞬時(shí)脈沖是不重復(fù)的脈沖。而實(shí)際應(yīng)用中，電路里可能出現(xiàn)重復(fù)性脈沖。

TVS器件規(guī)定,脈沖重復(fù)率比(脈沖持續(xù)時(shí)間和間歇時(shí)間之比)為0.01%。如不符合這一條件，脈沖功率的積累有可能使TVS燒毀。電路設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意這一點(diǎn)。TVS的工作是可靠的，即使長期承受不重復(fù)性大脈沖的高能量的沖擊，也不會(huì)出現(xiàn)"老化"問題。試驗(yàn)證明，TVS安全工作于10000次脈沖后,其最大允許脈沖功率仍為原值的80%以上。

TVS主要用于對(duì)電路元件進(jìn)行快速過電壓保護(hù)。它能"吸收"功率高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌信號(hào)。TVS具有體積小、功率大、響應(yīng)快、無噪聲、價(jià)格低等諸多優(yōu)點(diǎn),它的應(yīng)用十分廣泛，如:家用電器;電子儀器;儀表;精密設(shè)備;計(jì)算機(jī)系統(tǒng);通訊設(shè)備;RS232、485及 CAN等通訊端口;ISDN的保護(hù);I/O端口;IC電路保護(hù);音、視頻輸入;交、直流電源;電機(jī)、繼電器噪聲的抑制等各個(gè)領(lǐng)域。它可以有效地對(duì)雷電、負(fù)載開關(guān)等人為操作錯(cuò)誤引起的過電壓沖擊起保護(hù)作用，下面是幾個(gè)TVS在電路應(yīng)用中的典型例子。

TVS的選用方法

1.確定待保護(hù)電路的直流電壓或持續(xù)工作電壓。如果是交流電，應(yīng)計(jì)算出最大值，即用有效值*1.414。

2.TVS的反向變位電壓即工作電壓(VRWM)--選擇TVS的VRWM等于或大于上述步驟1所規(guī)定的操作電壓。這就保證了在正常工作條件下TVS吸收的電流可忽略不計(jì),如果步驟1所規(guī)定的電壓高于TVS的VRWM ,TVS將吸收大量的漏電流而處于雪崩擊穿狀態(tài)，從而影響電路的工作。

3.最大峰值脈沖功率：確定電路的干擾脈沖情況,根據(jù)干擾脈沖的波形、脈沖持續(xù)時(shí)間,確定能夠有效抑制該干擾的TVS峰值脈沖功率。

4.所選TVS的最大箝位電壓(VC)應(yīng)低于被保護(hù)電路所允許的最大承受電壓。

5.單極性還是雙極性-常常會(huì)出現(xiàn)這樣的誤解即雙向TVS用來抑制反向浪涌脈沖，其實(shí)并非如此。雙向TVS用于交流電或來自正負(fù)雙向脈沖的場(chǎng)合。TVS有時(shí)也用于減少電容。如果電路只有正向電平信號(hào)，那麼單向TVS就足夠了。TVS操作方式如下：正向浪涌時(shí),TVS處于反向雪崩擊穿狀態(tài);反向浪涌時(shí)，TVS類似正向偏置二極管一樣導(dǎo)通并吸收浪涌能量。在低電容電路里情況就不是這樣了。應(yīng)選用雙向TVS以保護(hù)電路中的低電容器件免受反向浪涌的損害。

6.如果知道比較準(zhǔn)確的浪涌電流IPP，那么可以利用VC來確定其功率，如果無法確定功率的大概范圍，一般來說，選擇功率大一些比較好。

原文標(biāo)題：一文教你看懂EMC防護(hù)器件之TVS

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審核編輯：湯梓紅