TVS 管性能及选型.docx
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TVS管性能及选型
TVS管性能及选型
一.TVS管概述
TVS(TransientVoltageSuppressor)瞬态电压抑制器。
当两极受到反向瞬态高能量冲击时,能以10的负12次方秒量级的速度,将两极间的高阻抗变为低阻抗,使两极间的电压箝位于一个预定值,有效地保护电子线路中的精密元器件。
在浪涌电压作用下,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钳位到预定的最大钳位电压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;TVS管有单向与双向之分,单向TVS管的特性与稳压二极管相似,双向TVS管的特性相当于两个稳压二极管反向串联。
二.其主要特性参数
1、反向截止电压VRWM与反向漏电流IR:
反向截止电压VRWM表示TVS管不导通的最高电压,在这个电压下只有很小的反向漏电流IR。
2、击穿电压VBR:
TVS管通过规定的测试电流时的电压,这是表示TVS管导通的标志电压。
3、脉冲峰值电流IPP:
TVS管允许通过的10/1000μs波的最大峰值电流(8/20μs波的峰值电流约为其5倍左右),超过这个电流值就可能造成永久性损坏。
在同一个系列中,击穿电压越高的管子允许通过的峰值电流越小,一般是几A~几十A。
4、最大箝位电压VC:
TVS管流过脉冲峰值电流IPP时两端所呈现的电压。
5、脉冲峰值功率Pm:
脉冲峰值功率Pm是指10/1000μs波的脉冲峰值电流IPP与最大箝位电压VC的乘积,即Pm=IPP*VC;在给定的最大钳位电压下,功耗PM越大,其浪涌电流承受能力越大,在给定的功耗PM下,钳位电压越低,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:
典型的脉冲波形持续时间为1ms,当施加到二极管上的脉冲波形持续时间小于TP,则随着TP的减小脉冲峰值功率增加;TVS所能承受的瞬态脉冲式不重复的,如果电路内出现重复性脉冲,应考虑脉冲功率的累积可能损坏TVS。
6、稳态功率P0:
TVS管也可以作稳压二极管用,这时要使用稳态功率。
7、极间电容Cj:
与压敏电阻一样,TVS管的极间电容Cj也较大,且单向的比双向的大,功率越大的电容也越大,极间电容会影响TVS的响应时间。
8、峰值电流波形:
A、正弦半波
B、矩形波
C、标准波(指数波形)
D、三角波
TVS峰值电流的试验波形采用标准波(指数波形),由TR/TP决定。
峰值电流上升时间TR:
电流从0.1IPP开始达到0.9IPP的时间。
半峰值电流时间TP:
电流从零开始通过最大峰值后,下降到0.5IPP值的时间。
下面列出典型试验波形的TR/TP值:
EMP波:
10ns/1000ns闪电波:
8μs/20μs标准波:
10μs/1000μs
三.优点及缺点
优点:
响应速度快(为ns级)、瞬态功率大、漏电流低;其10/1000μs波脉冲功率从400W~30KW,脉冲峰值电流从0、52A~544A;击穿电压有从6、8V~550V的系列值,便于各种不同电压的电路使用。
缺点:
耐浪涌冲击能力较放电管和压敏电阻差;稳压二极管:
反应较慢;一般用于电压精度要求高的地方(一般较小),防浪涌,击穿电压精准,各压值档都有;齐纳击穿;压敏电阻:
与稳压二极管相似,但不可恢复;
四.选型依据及注意事项:
1、TVS的最大反向钳位电压VC应小于被保护电路的损坏电压;
2、TVS的额定反向关断电压VWM要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;串行连接分电压,并行连接分电流。
3、交流电压只能用双向TVS;
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,在确定了最大钳位电压后,其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流;
5、结电容是影响TVS在高速线路中使用的关键因素,在这种情况下,一般用一个TVS管和一个快恢复二极管以背对背的方式连接,由于快恢复二极管有较小的结电容,因而二者串联的等小电容也较小,可以满足高频使用的要求;
6、需要考虑降额使用的应用;应用场合:
功率开关电路;整流二极管(与之同向);电源变压器;防直流电源反接或电源通断时产生的瞬时脉冲;抑制电机,断电器线圈,螺线管等感性负载产生的瞬时脉冲电压;控制系统的输入输出端;
7、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“高端”容限。
8、对于数据接口电路的保护,还必须注意选取具有合适寄生电容的TVS器件。
9、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。
10、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在一个变化的温度工作,由于其反向漏电流ID是随增加而增大;功耗随TVS结温增加而下降,从+25℃~+175℃,大约线性下降50%与击穿电压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。
11、处理瞬时脉冲对元件损害的最好办法是将瞬时电流从感应元件引开。
TVS二极管在线路板上与被保护线路并联,当瞬时电压超过电路正常工作电压后,TVS二极管便产生雪崩,提供给瞬时电流一个超低电阻通路,其结果是瞬时电流透过二极管被引开,避开被保护元件,并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。
当瞬时脉冲结束以后,TVS二极管自动回复高阻状态,整个回路进入正常电压。
许多元件在承受多次冲击后,其参数及性能会产生退化,而只要工作在限定范围内,二极管将不会产生损坏或退化。
使用注意事项:
1、对瞬变电压的吸收功率峰值与瞬变电压脉冲宽度间的关系,手册给的只是特定脉宽下的吸收功率峰值,实际线路中的脉冲宽度则变化莫测,事前要有估计,对宽脉冲应降额使用;
2、对小电流负载的保护,可有意识地在电路中增加限流电阻,只要限流电阻的阻值合适,不会影响线路的正常工作,但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小,这就有可能选用峰值功率较小的TVS管来对小电流负载电路进行保护;
3、对重复出现的瞬变电压的抑制,要注意TVS管的稳态平均功率是否在安全范围之内;
4、环境温度升高时要降额使用,TVS管的引线长短,它与被保护线路的相对距离;
五.应用举例
直流电路中选用举例:
整机直流工作电压12V,最大允许安全电压25V(峰值),浪涌源的阻抗50MΩ,其干扰波形为方波,TP=1ms,最大峰值电流50A。
选择:
1、先从工作电压12V选取最大反向工作电压VRWM为13V,则击穿电压为V(BR)=VRWM/0.85=15.3V;
2、从击穿电压值选取最大箝位电压VC(MAX)=1.30×V(BR)=19.89V,取VC=20V;
3、再从箝位电压VC和峰值电流IP计算出方波脉冲峰值功率:
PPR=VC×IP=20×50=1000W
4、计算折合为TP=1MS指数波的峰值功率,折合系数K1=1.4,PPR=1000W÷1.4=715W交流电路选用举例:
直流线路采用单向瞬变电压抑制二极管,交流则必须采用双向瞬变电压抑制二极管。
交流是电网电压,这里产生的瞬变电压是随机的,有时还遇到雷击(雷电感应产生的瞬变电压)所以很难定量估算出瞬时脉冲功率PPR。
但是对最大反向工作电压必须有正确的选取。
一般原则是交流电压乘1.4倍来选取TVS管的最大反向工作电压。
直流电压则按1.1—1.2倍来选取TVS管的最大反向工作电压VRWM。
TVS保护直流稳压电源实例:
图中是一个直流稳压电源,并有扩大电流输出的晶体管,在其稳压输出端加上瞬变电压抑制二极管,可以保护使用该电源的仪器设备,同时还可图中是一个直流稳压电源,并有扩大电流输出的晶体管,在其稳压输出端加上瞬变电压抑制二极管,可以保护使用该电源的仪器设备,同时还可以吸收电路中的集电极到发射极间的峰值电压,保护晶体管,建议在每个稳压电源输出端加一个TVS管,可以大幅度提高整机应用的可靠性;
还有用TVS保护晶体管,集成电路,可控硅,功率MOS管(在栅源之间加上瞬变电压抑制二极管,可防止栅极击穿),继电器等;继电器的触点往往用大电流去开关电动机等大电流电感负载,而电感在开关时有很高的反电势,而且有较大的能量,往往把触点烧坏或击穿产生电弧等,必须对触点采取保护,抑制电弧的产生,以保护继电器。
但是这种电弧产生的浪涌电流很大,过去采用电容或者用电容串联电阻、二极管、二极管串联电阻等抑制方案,现在采用瞬变电压抑制二极管方案效果更好。
直流电源防护设计
室外网口防护电路
注意,TVS管的寄生电容可能影响信号完整性,可以使用压敏电阻放在变压器抽头,作为防护电路,支持更高速率的网口设计。
232防护电路设计
485防护电路设计
六、压敏电阻VSTVS管
1、材料本征响应时间由上面的导通机理分析可以知道,氧化锌压敏陶瓷导电机理是隧道击穿,所以其材料响应时间就是其隧道电子击穿时间,一般为0.3ns。
TVS管导电机理是雪崩击穿,其响应时间就是其雪崩电子击穿时间,一般在0.5~1ns之间。
2、产品结构对响应时间影响片式氧化锌压敏电阻器采用多层独石结构,其寄生电感非常小,对其响应时间影响甚微,有些设计人员谈到的压敏电阻响应时间慢主要指用于AC端防浪涌的插件压敏电阻,因为较长的引线引入寄生的电感导致响应时间较慢(25ns)。
而TVS管为了SMT要求,在其两端设计电极引线,也会产生寄生电感,对其响应时间有一定影响。
而ESD放电波形一般在1nS达到峰值(如图6),这就需要过电压防护器件在1nS内迅速响应,钳制过电压,保护IC和ESD敏感线路。
从响应时间看,片式压敏电阻和TVS的响应时间都满足ESD防护的需求,从而起到良好的防护效果。
综合以上分析和对比,片式氧化锌压敏陶瓷电阻和TVS管均是抑制ESD的有效器件,TVS管限制电压较低,瞬态内阻较小,适合应用于耐ESD电压特别差或者被保护部位阻抗特别小的部位(如听筒,MIC,音频等)。
而压敏电阻的吸收能量的能力比TVS管要强,除了一般的ESD防护,也特别适合于电源部位和较大瞬态能量的部位过压防护。
在响应时间方面,要避免陷入片式氧化锌压敏陶瓷电阻的响应时间慢的误区。
由于工艺的差异,片式压敏电阻的价格要远低于TVS,表现出良好的性价比,设计人员可以根据电路的实际应用灵活选择片式压敏电阻或者TVS。
TVS是半导体保护器件,具有响应速度快,可靠性高的优点。
弱点一是无法承受太大的瞬间电流,二是其箝位电压随着电流增加而增加。
特别适合于不需要旁路大能量的低电压场合应用。
示例电路如下:
压敏电阻的突破承载取决于它的物理尺寸,因而可以获得较高的浪涌电流值。
其箝位特性使他可以为AC或DC电源线应用中作为瞬态保护元件。
压敏电阻的价格较为低廉。
相比TVS二极管它的缺点是寄生电容较大,响应时间较慢,离散性大。
另外,压敏电阻会产生蜕化,因此存在可靠性和性能问题。
实例电路AC200V电源防雷:
DC12V/24V电源防雷:
7、陶瓷气体放电管VSTVS
陶瓷气体放电管(GASTUBE):
主要用于线路中的防雷和过压保护。
气体放电管指作过电压保护用的避雷管或天线开关管一类,管内有二个或多个电极,充有一定量的惰性气体。
气体放电管是一种间隙式的防雷保护元件,它用在通信系统的防雷保护。
当外加电压增大到超过气体的绝缘强度时,两极间的间隙将放电击穿,由原来的绝缘状态转化为导电状态,导通后放电管两极之间的电压维持在放电弧道所决定的残压水平。
GDT的特点是大通流量、高耐压值、极低的结间电容。
缺点是多次工作后性能下降需要更换,并且在有源接口应用时必须要注意维持电压或者续流问题,因此一般也多配合压敏电阻使用。
GDT的工作模式:
雷击电压通过不同电压防护器件的波形
8、电压开关型瞬态抑制二极管(TSS)VSTVS
图TSS管的原理图符号
电压开关型瞬态抑制二极管(TSS,ThyristorSurgeSuppressor)与TVS管相同,也是利用半导体工艺制成的限压保护器件,但其工作原理与气体放电管类似,而与压敏电阻和TVS管不同。
当TSS管两端的过电压超过TSS管的击穿电压时,TSS管将把过电压钳位到比击穿电压更低的接近0V的水平上,之后TSS管持续这种短路状态,直到流过TSS管的过电流降到临界值以下后,TSS恢复开路状态。
TSS是电压开关型瞬态抑制二极管,就是涌抑制晶体管,或者叫做导体放电管,固体放电管等等。
TSS管是利用半导体工艺制成的保护器件,主要用于信号电路的防雷保护。
不能用在电源端口。
TSS器件的通流容量一般最高可达到150A(8/20uS)。
TSS管和TVS管都是利用半导体工艺制成的限压保护器件,TSS管是电压开关型的。
TVS是电压钳位型的。
TSS管在响应时间,结电容方面与TVS管是相同特点,易于制成表贴器件,很适合在单板上使用。
TSS管适合于信号电平较高的信号电路保护。
TSS管在响应时间、结电容方面具有与TVS管相同的特点。
易于制成表贴器件,很适合在单板上使用,TSS管动作后,将过电压从击穿电压值附近下拉到接近0V的水平,这时二极管的结压降小,所以用于信号电平较高的线路(例如:
模拟用户线、ADSL等)保护时通流量比TVS管大,保护效果也比TVS管好。
TSS适合于信号电平较高的信号线路的保护。
在使用TSS管时需要注意的一个问题是:
TSS管在过电压作用下击穿后,当流过TSS管的电流值下降到临界值以下后,TSS管才恢复开路状态,因此TSS管在信号线路中使用时,信号线路的常态电流应小于TSS管的临界恢复电流。
临界恢复电流值随TSS管的型号和设计应用场合的不同而不同,使用时应注意在器件手册中查明所用具体型号的确切值。
TSS管的击穿电压(min(UBR))、通流容量是电路设计时应重点考虑的。
在信号回路中时,应当有:
min(UBR)≥(1.2~1.5)Umax,式中Umax为信号回路的峰值电压。
TSS管较多应用于信号线路的防雷保护。
TSS管的失效模式主要是短路。
但当通过的过电流太大时,也可能造成TSS管被炸裂而开路。
TSS管的使用寿命相对较长。
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