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tvs二極管應用電路

2017年10月29日 10:52 網(wǎng)絡整理 作者: 用戶評論(0
關(guān)鍵字:二極管(159226)TVS(59734)

  瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)具有響應時間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓較易控制、無損壞極限、體積小等優(yōu)點。目前已廣泛應用于計算機系統(tǒng)、通訊設備、交/直流電源、汽車、家用電器、儀器儀表等各個領域。本文將結(jié)合TVS應用的特點及使用注意事項,介紹TVS的幾種典型應用電路,并通過TVS在熱插拔電路保護和汽車電源線保護中應用的實例,來詳細探討如何正確應用TVS和使TVS的應用效能最佳。

  在實際的應用電路中,處理瞬時脈沖對器件損害的最好辦法,就是將瞬時電流從敏感器件引開。為達到這一目的,將TVS在線路板上與被保護線路并聯(lián)。這樣,當瞬時電壓超過電路正常工作電壓后,TNS將發(fā)生雪崩擊穿,從而提供給瞬時電流一個超低阻抗的通路,其結(jié)果是瞬時電流通過TVS被引開,從而避開被保護器件,并且在電壓恢復正常值之前使被保護回路一直保持截止電壓。在此之后,當瞬時脈沖結(jié)束以后,TVS二極管再自動恢復至高阻狀態(tài),整個回路進入正常電壓狀態(tài)。

  1、TVS應用的三大特點

  1)將TVS二極管加在信號及電源線上,能防止微處理器單片機因瞬間的脈沖,如靜電放電效應、交流電源之浪涌及開關(guān)電源的噪音所導致的失靈。

  2)靜電放電效應能釋放超過10000V、60A以上的脈沖,并能持續(xù)10ms;而一般的TTL器件,遇到超過30ms的10V脈沖時,便會導至損壞。利用TVS二極管,可有效吸收會造成器件損壞的脈沖,并能消除由總線之間開關(guān)所引起的干擾(Crosstalk)。

  3)將TVS二極管放置在信號線及接地間,能避免數(shù)據(jù)及控制總線受到不必要的噪音影響。

  2、TVS管在使用中應注意的事項

  對瞬變電壓的吸收功率(峰值)與瞬變電壓脈沖寬度間的關(guān)系。手冊給的只是特定脈寬下的吸收功率(峰值),而實際線路中的脈沖寬度則變化莫測,事前要有估計。對寬脈沖應降額使用。

  對小電流負載的保護,可有意識地在線路中增加限流電阻,只要限流電阻的阻值適當,不會影響線路的正常工作,但限流電阻對干擾所產(chǎn)生的電流卻會大大減小。這就有可能選用峰值功率較小的TVS管來對小電流負載線路進行保護。

  對重復出現(xiàn)的瞬變電壓的抑制,尤其值得注意的是TVS管的穩(wěn)態(tài)平均功率是否在安全范圍之內(nèi)。

  3、TVS的典型應用電路

  3.1 TVS在交流電路中的應用

  圖1所示是一個雙向TVS在交流電路中的應用電路。應用TVS可以有效地抑制電網(wǎng)帶來的過載脈沖,從而起到保護整流橋及負載中所有元器件的作用。圖1中的TVS箝位電壓應不大于電路的最大允許電壓。

tvs二極管應用電路

  圖1 雙向TVS在交流電路中的應用電路

  3.2 用TVS保護直流穩(wěn)壓電源

  圖2是一個直流穩(wěn)壓電源,在其穩(wěn)壓輸出端加上TVS,可以保護使用該電源的儀器設備,同時還可以吸收電路中晶體管的集電極到發(fā)射極間的峰值電壓,從而保護晶體管。建議在每個穩(wěn)壓源的輸出端增加一個TVS管,這樣可以大幅度地提高整機的可靠性。

  tvs二極管應用電路

  圖2 TVS保護直流穩(wěn)壓電源

  3.3 用TVS保護晶體管電路

  各種瞬變電壓能使晶體管的EB結(jié)或CE結(jié)擊穿而損壞,特別是晶體管集電極有感性(線圈、變壓器、電動機)負載時,通常會產(chǎn)生高壓反電勢,因而可能使晶體管損壞。在實際應用中,建議采用TVS作為保護器件。圖3所示為TVS保護晶體管的四種電路實例。

  tvs二極管應用電路

  圖3 TVS保護晶體管電路

  3.4 用TVS保護集成運放

  集成運放對外界電應力非常敏感。因此,在使用運放的過程中,如果因操作失誤或采取了不正常的工作條件,往往會出現(xiàn)過大的電壓或電流,特別是浪涌和靜電脈沖,從而很容易使運放受損或失效。圖4所示是用TVS在運放差模輸入端防止過壓損傷的保護電路。

  tvs二極管應用電路

  圖4 TVS在運放差模輸入端防止過壓損傷的保護電路

  4 TVS的應用實例

  4.1 TVS用于熱插拔電路保護

  在熱插拔應用中,TVS主要用作需要被中斷的差模電流的接地分流路徑。熱插拔系統(tǒng)常被用在分布式電源系統(tǒng)中提供可靠的系統(tǒng)保護和電氣管理,典型服務器系統(tǒng)的線卡接口和熱插拔電路原理圖如圖5所示。

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  圖5 典型服務器系統(tǒng)的線卡接口和熱插拔電路原理圖

  從本質(zhì)上講,當檢測到故障和電流中斷期間的電流轉(zhuǎn)換率可能達到100A/μs或以上時,圖5中的通路MOSFET Q1將迅速被熱插拔控制器關(guān)閉。不過,輸入功率路徑的電源軌總線結(jié)構(gòu)難免出現(xiàn)寄生電感(與電源母線的長度和固有環(huán)路面積有關(guān))。儲存在該電感的能量將轉(zhuǎn)移到電路中的其他元件,以致產(chǎn)生過壓動態(tài)行為。為了防止下游元件被損壞,在分流保護配置中從VIN至GND處連接了響應速度快的單向TVS(瞬態(tài)電壓抑制)硅二極管,如圖5所示。

  應用于熱插拔電路中的TVS選擇可按照以下步驟進行:

  1)用切斷電壓VR選擇單向TVS,該電壓等于或大于直流或連續(xù)峰值工作母線電壓水平。14V或15V TVS適合低阻抗12VDC±10%的服務器系統(tǒng)輸入總線。

  2)根據(jù)熱插拔控制器斷路器閾值電壓、響應時間和所選分流電阻器來確定峰值脈沖電流水平IP。

  3)利用公式TVS二極管的典型應用及實例分析 - 天涯 - 茶間尋找機遇 (式中,VC:鉗位電壓;IP:峰值脈沖電流;VC(max):最大鉗位電壓;VBR:擊穿電壓;IPP:采用10/1000 ms波形的VC(max)條件下的最大峰值脈沖電流。)由第2步和相關(guān)數(shù)據(jù)表參數(shù)給定的IP水平來計算電路鉗位電壓VC。VC是否足夠低?如果不是,另一種方法是使用一個較大的TVS,以獲得較陡峭的下降。請注意,VC的電壓溫度系數(shù)與VBR類似(例如在75℃的工作環(huán)境條件下,0.1%/℃意味著該系數(shù)增加了5%)。

  4)計算出VC和IP的乘積,以獲得由TVS維持的實際峰值功率水平。

  5)利用公式TVS二極管的典型應用及實例分析 - 天涯 - 茶間尋找機遇 (式中,L為電路中的寄生電感)和已知的輸入寄生電感來確定三角脈沖波形的脈沖持續(xù)時間td(即衰減到零的時間)。

  6)使用類似圖6(a)曲線的第5步脈沖持續(xù)時間降額PPP。如前所述,三角脈沖電流波形可以實現(xiàn)比雙指數(shù)參考波形曲線高33%的脈沖功率。

  7)使用類似圖6(b)曲線的環(huán)境溫度降額PPP。同時應該考慮相鄰元件的相互熱效應。

  8)第7步的凈降額PPP是否實現(xiàn)了由第4步計算的實際TVS峰值功率的足夠設計余量(至少50%)?如果沒有,選擇一個較大的TVS并重復1-8步驟。

  tvs二極管應用電路

  圖6 (a)峰值脈沖功率與脈沖持續(xù)時間,(b)熱降額特性

  4.2 TVS用于汽車電源線的初級保護和次級保護

  電子控制單元、傳感器信息娛樂系統(tǒng)等汽車電子設備連接在一根電源線上,如圖7所示。這些電子產(chǎn)品的電源是電池和交流發(fā)電機,這兩種電源的輸出電壓都不穩(wěn)定,容易受溫度、工作狀態(tài)和其他條件影響。此外,使用燃油噴射系統(tǒng)、閥、電機、電氣和水解控制器等電磁線圈負載的汽車系統(tǒng),會把ESD、尖峰噪聲和其他類型的瞬態(tài)和浪涌電壓引入到電源和信號線上。因此,汽車設計中必須保護電子設備(例如控制單元、傳感器和信息娛樂系統(tǒng))免受電源線上出現(xiàn)的有害浪涌電壓、瞬態(tài)電壓、ESD和噪聲的損害。瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)是汽車電子保護的理想方案,下面主要介紹TVS在汽車電源線中的初級保護和次級保護應用。

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  圖7 典型的汽車電源線

  4.2.1 汽車電源線初級保護(甩負荷)

  用于汽車電子初級保護的甩負荷TVS有兩類:外延型和非外延型。在反偏模式下,這兩組產(chǎn)品具有相似的擊穿工作特性。不同之處在于,外延型TVS在正向模式下具有低正向壓降(VF)特性,非外延型TVS在相同條件下VF相對較高。

  在反向電源輸入模式中,電源線電壓與TVS VF的電壓相同,這種反偏模式會引起電子線路故障,外延型TVS的低正向壓降能夠很好地解決這個問題,如圖8所示。

  tvs二極管應用電路

  圖8 TVS用于汽車電源線初級保護

  4.2.2 汽車電源線的次級保護

  汽車系統(tǒng)中保護電路的初級對象是高浪涌電壓,但是被鉗位的電壓仍然很高。因此,在24V動力總成中的次級保護特別重要,比如卡車和貨車中的動力總成。其主要原因是因為大多數(shù)穩(wěn)壓器和DC-DC轉(zhuǎn)換器IC的最大輸入電壓是45V~60V。對于此類應用,建議使用圖9中的次級保護。在電源線上增加電阻R可以減小瞬態(tài)電流,這樣就可以使用更小額定功率的TVS作為次級保護。

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  圖9 次級保護

  5 TVS二極管效能最佳化

  如何使TVS在電路中應用的效能最佳?印制電路板的布線及電路元件的選擇很重要,通過合理放置TVS的位置、接地選擇、寄生電感和回路區(qū)的處理,以及突崩式TVS與二極管陣列、單向與雙向突崩式TVS二極管、外部與內(nèi)部晶片保護電路的比較,科學合理地進行PCB的布線和TVS元件的選擇,使TVS的效能最佳化。

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