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干货 | 一文看EMC防护器件之TVS

2018-09-23
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电压及电流的瞬态干扰是造成电子电路及设备损坏的主要原因,常给人们带来无法估量的损失。这些干扰通常来自于电力设备的起停操作、交流电网的不稳定、雷电干扰及静电放电等,瞬态干扰几乎无处不在、无时不有,使人感到防不胜防。幸好,一种高效能的电路保护器件TVS的出现使瞬态干扰得到了有效抑制。


TVS(TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR)或称瞬变电压抑制二极管是在稳压管工艺基础上发展起来的一种新产品,其电路符号和普通稳压二极管相同,外形也与普通二极管无异,当TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时,它能以极高的速度(最高达1*10-12秒)使其阻抗骤然降低,同时吸收一个大电流,将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上,从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。

TVS的特性及其参数


图1 TVS特性曲线


1.TVS的特性

如果用图示仪观察TVS的特性,就可得到图1中左图所示的波形。如果单就这个曲线来看,TVS管和普通稳压管的击穿特性没有什么区别,为典型的PN结雪崩器件。


但这条曲线只反映了TVS特性的一个部分,还必须补充右图所示的特性曲线,才能反映TVS的全部特性。这是在双踪示波器上观察到的TVS管承受大电流冲击时的电流及电压波形。


图中曲线1是TVS管中的电流波形,它表示流过TVS管的电流由1mA突然上升到峰值,然后按指数规律下降,造成这种电流冲击的原因可能是雷击、过压等。曲线2是TVS管两端电压的波形,它表示TVS中的电流突然上升时,TVS两端电压也随之上升,但最大只上升到VC值,这个值比击穿电压VBR略大,从而对后面的电路元件起到保护作用。


TVS的参数

图2 TVS特性及参数


A. 击穿电压(VBR):TVS在此时阻抗骤然降低,处于雪崩击穿状态。


B. 测试电流(IT):TVS的击穿电压VBR在此电流下测量而得。一般情况下IT取1MA。


C. 反向变位电压(VRWM):TVS的最大额定直流工作电压,当TVS两端电压继续上升,TVS将处于高阻状态。


D. 最大反向漏电流(IR):在工作电压下测得的流过TVS的最大电流。


E. 最大峰值脉冲电流(IPP):TVS允许流过的最大浪涌电流,它反映了TVS的浪涌抑制能力。


F. 最大箝位电压(VC):当TVS管承受瞬态高能量冲击时,管子中流过大电流,峰值为IPP,端电压由VRWM值上升到VC值就不再上升了,从而实现了保护作用。浪涌过后,随时间IPP以指数形式衰减,当衰减到一定值后,TVS两端电压由VC开始下降,恢复原来状态。最大箝位电压VC与击穿电压VBR之比称箝位因子Cf,表示为Cf= VC /VBR,一般箝位因子仅为1.2~1.4。


G.  峰值脉冲功率(PP):PP按峰值脉冲功率的不同TVS分为四种,有500W、600W、1500W和5000W。最大峰值脉冲功率:最大峰值脉冲功率为:PN=VC·IPP。显然,最大峰值脉冲功率愈大,TVS所能承受的峰值脉冲电流IPP愈大;另一方面,额定峰值脉冲功率PP确定以后,所TVS能承受的峰值脉冲电流IPP,随着最大箝位电压VC的降低而增加。TVS最大允许脉冲功率除了和峰值脉冲电流和箝位电压有关外,还和脉冲波形、脉冲持续时间和环境温度有关。


TVS所能承受的瞬时脉冲峰值可达数百安培,其箝位响应时间仅为1*10-12 秒;TVS所允许的正向浪涌电流,在 25℃,1/120秒的条件下,也可达50-200安培。一般地说,TVS所能承受的瞬时脉冲是不重复的脉冲。而实际应用中,电路里可能出现重复性脉冲。


TVS器件规定,脉冲重复率比(脉冲持续时间和间歇时间之比)为0.01%。如不符合这一条件,脉冲功率的积累有可能使TVS烧毁。电路设计人员应注意这一点。TVS的工作是可靠的,即使长期承受不重复性大脉冲的高能量的冲击,也不会出现"老化"问题。试验证明,TVS安全工作于10000次脉冲后,其最大允许脉冲功率仍为原值的80%以上。


TVS主要用于对电路元件进行快速过电压保护。它能"吸收"功率高达数千瓦的浪涌信号。TVS具有体积小、功率大、响应快、无噪声、价格低等诸多优点,它的应用十分广泛,如:家用电器;电子仪器;仪表;精密设备;计算机系统;通讯设备;RS232、485及 CAN等通讯端口;ISDN的保护;I/O端口;IC电路保护;音、视频输入;交、直流电源;电机、继电器噪声的抑制等各个领域。它可以有效地对雷电、负载开关等人为操作错误引起的过电压冲击起保护作用,下面是几个TVS在电路应用中的典型例子。


TVS的选用方法

1.确定待保护电路的直流电压或持续工作电压。如果是交流电,应计算出最大值,即用有效值*1.414。


2.TVS的反向变位电压即工作电压(VRWM)--选择TVS的VRWM等于或大于上述步骤1所规定的操作电压。这就保证了在正常工作条件下TVS吸收的电流可忽略不计,如果步骤1所规定的电压高于TVS的VRWM ,TVS将吸收大量的漏电流而处于雪崩击穿状态,从而影响电路的工作。


3.最大峰值脉冲功率:确定电路的干扰脉冲情况,根据干扰脉冲的波形、脉冲持续时间,确定能够有效抑制该干扰的TVS峰值脉冲功率。


4.所选TVS的最大箝位电压(VC)应低于被保护电路所允许的最大承受电压。


5.单极性还是双极性-常常会出现这样的误解即双向TVS用来抑制反向浪涌脉冲,其实并非如此。双向TVS用于交流电或来自正负双向脉冲的场合。TVS有时也用于减少电容。如果电路只有正向电平信号,那麽单向TVS就足够了。TVS操作方式如下:正向浪涌时,TVS处于反向雪崩击穿状态;反向浪涌时,TVS类似正向偏置二极管一样导通并吸收浪涌能量。在低电容电路里情况就不是这样了。应选用双向TVS以保护电路中的低电容器件免受反向浪涌的损害。


6.如果知道比较准确的浪涌电流IPP,那么可以利用VC来确定其功率,如果无法确定功率的大概范围,一般来说,选择功率大一些比较好。




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