瞬态电压抑制器的应用

2011-03-10 11:05:23来源: 互联网

摘要:介绍了瞬态电压抑制器的工作原理、特性参数以及使用方法。举例说明了在开关电源浪涌消除上的应用
关键词:浪涌瞬态电压抑制器开关电源  

 

消除噪声干扰、防止浪涌损害一直是电子设备设计者头痛的一件事。瞬态电压抑制器(TVS:transientvoltagesuppressor)可以方便地解决这些问题。

 

当TVS两极受到反向高能量冲击时,它能以10-12s级的速度,将其两极间的阻抗由高变低,吸收高达数千瓦的浪涌功率,使两极间的电位箝位于预定值,有效地保护电子设备中的元器件免受浪涌脉冲的损害。TVS具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压容易控制、体积小等优点,目前已广泛应用于家用电器、电子仪表、通讯设备、电源、计算机系统等各个领域。

 

1TVS的特性和主要参数

 

 

图1TVS电压-电流特性

 

11TVS的特性

 

TVS的电路符号和普通的稳压管相同。其电压—电流特性曲线如图1所示。

 

其正向特性与普通二极管相同,反向特性为典型的PN结雪崩器件。图2是TVS的电流—时间和电压—时间曲线。在浪涌电压的作用下,TVS两极间的电压由额定反向关断电压VWM上升到击穿电压VBR,而被击穿。随着击穿电流的出现,流过TVS的电流将达到峰值脉冲电流IPP,同时在其两端的电压被箝位到预定的最大箝位电压VC以下。其后,随着脉冲电流按指数衰减,TVS两极间的电压也不断下降,最后恢复到初态,这就是TVS抑制可能出现的浪涌脉冲功率,保护电子元器件的过程。

 

12TVS的主要参数

 

(1)最大反向漏电流ID和额定反向关断电压VWM

 

VWM是TVS最大连续工作的直流或脉冲电压,当这个反向电压加于TVS的两极间时它处于反向关断状态,流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流ID。

 

(2)最小击穿电压VBR和击穿电流IR

 

VBR是TVS最小的击穿电压。在25℃时,低于这个电压TVS是不会发生雪崩的。当TVS流过规定的1mA电流(IR)时,加于TVS两极的电压为其最小击

 

 

图2TVS电压(电流)时间特性

 

穿电压VBR。按TVS的VBR与标准值的离散程度,可把VBR分为5%和10%两种。对于5%的VBR来说,VWM=0.85VBR;对于10%的VBR来说,VWM=0.81VBR。

 

(3)最大箝位电压VC和最大峰值脉冲电流IPP

 

当持续时间为20μs的脉冲峰值电流IPP流过TVS时,在其两端出现的最大峰值电压为VC。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC与VBR之比称为箝位因子,一般在1.2~1.4之间。

 

(4)电容量C

 

电容量C是由TVS雪崩结截面决定的,是在特定的1MHz频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比,C太大将使信号衰减。因此,C是数据接口电路选用TVS的重要参数。

 

(5)最大峰值脉冲功耗PM

 

PM是TVS能承受的最大峰值脉冲功率耗散值。在给定的最大箝位电压下,功耗PM越大,其浪涌电流的承受能力越大;在给定的功耗PM下,箝位电压VC越低,其浪涌电流的承受能力越大。另外,峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。而且,TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的,器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为001%。如果电路内出现重复性脉冲,应考虑脉冲功率的累积,有可能损坏TVS。

(6)箝位时间tc

 

tc是从零到最小击穿电压VBR的时间。对单极性TVS小于1×10-12s;对双极性TVS小于10×10-12s。

 

2TVS的分类

 

TVS器件按极性可分为单极性和双极性两种;按用途可分为通用型和专用型;按封装和内部结构可分为:轴向引线二极管、双列直插TVS阵列、贴片式和大功率模块等。轴向引线的产品峰值功率可以达到400W、500W、600W、1500W和5000W。其中大功率的产品主要用在电源馈线上,低功率产品主要用在高密度安装的场合。对于高密度安装的场合还可以选择双列直插和表面贴装的封装形式。

 

3TVS的选用指南

 

(1)确定被保护电路的最大直流或连续工作电

 

压,电路的额定标准电压和最大可承受电压。

 

(2)TVS的额定反向关断电压VWM应大于或等于

 

被保护电路的最大工作电压。若选用的VWM太低,器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作。

 

(3)TVS的最大反向箝位电压VC应小于被保护

 

电路的损坏电压。

 

(4)在规定的脉冲持续时间内,TVS的最大峰值

 

脉冲功率PM必须大于被保护电路可能出现的峰值脉冲功率。在确定了最大箝位电压后,其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。一般TVS的最大峰值脉冲功率是以10/1000μs的非重复脉冲给出的,而实际的脉冲宽度是由脉冲源决定的,当脉冲宽度不同时其峰值功率也不同。如某600WTVS,对1000μs脉宽最大吸收功率为600W,但是对50μs脉宽吸收功率就可达到2100W,而对10ms的脉宽最大吸收功率就只有200W了。而且吸收功率还和脉冲波形有关:如果是半个正弦波形式的脉冲,吸收功率就要减到75%,若是方波形式的脉冲,吸收功率就要减到66%。

 

(5)平均稳态功率的匹配

 

对于需要承受有规律的、短暂的脉冲群冲击的TVS,如应用在继电器、功率开关或电机控制等场合,有必要引入平均稳态功率的概念。举例说明,在一功率开关电路中会产生120Hz,宽度为4μs,峰值电流为25A的脉冲群。选用的TVS可以将单个脉冲的电压箝位到112V。此中平均稳态功率的计算为:脉冲时间间隔等于频率的倒数,1/120=0.0083s,峰值吸收功率是箝位电压与脉冲电流的乘积11.2V×25A=280W,平均功率则为峰值功率与脉冲宽度对脉冲间隔比值的乘积,即280×(0.000004s/0.0083s)=0.134W。也就是说,选用的TVS平均稳态功率必须大于0.134W。

 

(6)对于数据接口电路的保护,还必须注意选取

 

具有合适电容C的TVS器件。

(7)根据用途选用TVS的极性及封装结构。交流

 

电路选用双极性TVS较为合理;多线保护选用TVS阵列更为有利。

 

(8)温度考虑

 

瞬态电压抑制器可以在-55℃~+150℃之间工作。如果需要TVS在一个变化的温度下工作,由于其反向漏电流ID是随温度增加而增大;功耗随TVS结温增加而下降,从+25℃到+175℃,大约线性下降50%;击穿电压VBR随温度的增加按一定的系数增加。因此,必须查阅有关产品资料,考虑温度变化对其特性的影响。

 

4TVS与压敏电阻的比较

 

目前,国内不少需要进行浪涌保护的设备上仍然

 

使用的是压敏电阻。压敏电阻是一种金属氧化物变阻器,TVS比压敏电阻的性能优越得多,其性能比较列于表1。

 

表1TVS与压敏电阻性能比较 
 

关键参数或极限值 TVS 压敏电阻
反应速度 10-12s 50×10-9s
是否老化
最高使用温度 175℃ 115℃
器件极性 单极性和双极性 单极性
反向漏电流典型值 5μA 200μA
箝位因子VC/VBR 不大于15 最大可达7~8
封闭性质 密封,不透气 透气
价格 较贵 便宜

5TVS的命名

市场上能见到如下系列的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系列最为常见,它们的命名规则如下:

第一部分+第二部分+第三部分

第一部分……P6KE或15KE

第二部分……数字,代表最小击穿电压

第三部分……A或CA,A代表单向TVS管;CA代表双向TVS管

例如,P6KE200A为500W最小击穿电压约200V的单向TVS管。

6TVS的应用举例

如图3所示,为一典型的开关电源驱动电路。当功率开关管关断时,由于开关变压器线圈漏感的存在,会产生极高的反电势,有可能将功率开关管击穿。当在开关变压器一次侧并接上TVS管后,可以有效地吸收电压尖峰,保护功率开关管的安全,降低对功率开关管耐压的要求。TVS管的选择如下:

 

220V交流市电经整流滤波后变为高压直流供给开关变压器,此高压直流变化范围是240V~360V,而由于变压器漏感和引线电感的存在,关断过电压可以高达几千伏,功率开关管关断时难于同时承受这两种电压。综合考虑可以选用VWM等于200V左右的TVS,这样将关断过电压控制在300V以内,加上电源电压,功率开关管选用耐压为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电路杂散电感所存储的功率,故而转求杂散电感存储功率即可。

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

杂散电感一般为几个μH,这里取5μH;

100W的开关电源原边平均电流I=P/U=100/240=0.417A,设占空比D为05,则最大电流=I/D=0.417/0.5=0.833A,取I=1A;

功率开关器件关断时间一般在几十纳秒,取t=10ns,于是有:

PM=0.5×5×10-6×12/10×10-9=250W,由于开关电源开关频率很高,达到了100kHz以上,考虑脉冲功率的累计,PM应成倍扩大,结合PM的标称值取600W。

因此可以选用200V/600W的TVS管。由于仅在开关管关断时产生单向过电压,故选用单向TVS即可,例如P6KE200A。

关键字:应用

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0310/article_5046.html
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