一文看懂EMC電壓及電流的瞬態(tài)干擾

電壓及電流的瞬態(tài)干擾是造成電子電路及設備損壞的主要原因，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備的起停操作、交流電網的不穩(wěn)定、雷電干擾及靜電放電等，瞬態(tài)干擾幾乎無處不在、無時不有，使人感到防不勝防。幸好，一種高效能的電路保護器件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)壓管工藝基礎上發(fā)展起來的一種新產品。其電路符號和普通穩(wěn)壓二極管相同，外形也與普通二極管無異，當TVS管兩端經受瞬間的高能量沖擊時，它能以極高的速度（最高達1*１0-12秒）使其阻抗驟然降低，同時吸收一個大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個預定的數(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結雪崩器件。

但這條曲線只反映了TVS特性的一個部分，還必須補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，TVS兩端電壓也隨之上升，但最大只上升到VC值，這個值比擊穿電壓VBR略大，從而對后面的電路元件起到保護作用。

TVS的參數(shù)

圖2 TVS特性及參數(shù) A. 擊穿電壓（VBR）：TVS在此時阻抗驟然降低，處于雪崩擊穿狀態(tài)。

B. 測試電流（IT）：TVS的擊穿電壓VBR在此電流下測量而得。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TVS管承受瞬態(tài)高能量沖擊時，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，從而實現(xiàn)了保護作用。浪涌過后，隨時間IPP以指數(shù)形式衰減，當衰減到一定值后，TVS兩端電壓由VC開始下降，恢復原來狀態(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外，還和脈沖波形、脈沖持續(xù)時間和環(huán)境溫度有關。

TVS所能承受的瞬時脈沖峰值可達數(shù)百安培，其箝位響應時間僅為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50-200安培。一般地說，TVS所能承受的瞬時脈沖是不重復的脈沖。而實際應用中，電路里可能出現(xiàn)重復性脈沖。

TVS器件規(guī)定，脈沖重復率比（脈沖持續(xù)時間和間歇時間之比）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。電路設計人員應注意這一點。TVS的工作是可靠的，即使長期承受不重復性大脈沖的高能量的沖擊，也不會出現(xiàn)“老化”問題。試驗證明，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主要用于對電路元件進行快速過電壓保護。它能“吸收”功率高達數(shù)千瓦的浪涌信號。TVS具有體積小、功率大、響應快、無噪聲、價格低等諸多優(yōu)點，它的應用十分廣泛，如：家用電器；電子儀器；儀表；精密設備；計算機系統(tǒng)；通訊設備;RS232、485及 CAN等通訊端口；ISDN的保護；I/O端口；IC電路保護；音、視頻輸入；交、直流電源；電機、繼電器噪聲的抑制等各個領域。它可以有效地對雷電、負載開關等人為操作錯誤引起的過電壓沖擊起保護作用，下面是幾個TVS在電路應用中的典型例子。

TVS的選用方法

1.確定待保護電路的直流電壓或持續(xù)工作電壓。如果是交流電，應計算出最大值，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，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，根據干擾脈沖的波形、脈沖持續(xù)時間，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）應低于被保護電路所允許的最大承受電壓。

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

編輯：黃飛