TVS器件的特点、电特性和主要电参数

TVS器件的特点、电特性和主要电参数一、TVS器件的特点瞬态(瞬变)电压抑制二级管简VS器件，在规定的反向应用条件下，当承受一个高 能量的瞬时过压脉冲时，其工作阻抗能立即降至很低的导通值，允许大电流通过，并将电压箝制到预定水平，从而有效地保护电子线路中的精 密元器件免受损坏。TVS能承受的瞬时脉冲功率可达上千瓦，其箝位响应时间仅为1ps (10-12S)。TVS允许的正向浪涌电流在TA=250C， T=10ms条件下，可达50200A。双向TVS可在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率，并把电压箝制到预定水平，双向TVS适用 于交流电路，单向TVS 一般用于直流电路。二、TVS器件的电特性1、单向TVS的V-I特性如图1-1所示，单向TVS的正向特性与普通稳压二极管相同，反向击穿拐点近似“直角” 为硬击穿，为典型的PN结雪崩器件。从击穿点到VC值所对应的曲线段表明，当有瞬时过压脉冲时，器件的电流急骤增加而反向电压则上升 到箝位电压值，并保持在这一水平上。2、双向TVS的V-I特性如图1-2所示，双向TVS的V-I特性曲线如同两只单向TVS “背靠背”组合，其正反两 个方向都具有相同的雪崩击穿特性和箝位特性，正反两面击穿电压的对称关系为：0.9WV(BR)(正)/V (BR)(反)W1.1，一旦加在它两端的干扰电压超 过箝位电压VC就会立刻被抑制掉，双向TVS在交 流回路应用十分方便。三、TVS器件的主要电参数1、击穿电压V(BR)器件在发生击穿的区域内，在规定的试验电流I(BR)下，测得器件两端的电压称为击穿 电压，在此区域内，二极管成为低阻抗的通路。2、最大反向脉冲峰值电流IPP在反向工作时，在规定的脉冲条件下，器件允许通过的最大脉冲峰值电流。IPP与最大 箝位电压VC(MAX)的乘积，就是瞬态脉冲功率的最大 值。使用时应正确选取TVS，使额定瞬态脉冲功率PPR大于被保护器件或线路可能出现的最 大瞬态浪涌功率。当瞬时脉冲峰值电流出现时，TVS被击穿，并由击穿电压值上升至最大箝位电压值，随 着脉冲电流呈指数下降，箝位电压亦下降，恢复到原来状态。因此，TVS能抑制可能出现的脉冲功率的冲击，从而有效地保护电子 线路。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：A、EMP 波:10ns /1000nsB、闪电波：8p s /20p s C、标准波：10p s /1000p s3、最大反向工作电压VRWM (或变位电压)器件反向工作时，在规定的IR下，器件两端的电压值称为最大反向工作电压VRWM。通常VRWM=(0.80.9)V(BR)。在这个电压下，器件的功率消耗很小。使用时，应使VRWM不低于被保护器件或线路的正常工作电压。4、最大箝位电压VC(max )在脉冲峰值电流Ipp作用下器件两端的最大电压值称为最大箝位电压。使用时，应使 VC(max )不高于被保护器件的最大允许安全电压。最大箝位电压与击穿电压之比称为箝为系 数。即：箝位系数=VC(max )/V(BR)一般箝位系数为1.3左右。5、反向脉冲峰值功率PPRTVS的PPR取决于脉冲峰值电流IPP和最大箝位电压VC(max )，除此以外，还和脉冲波 形、脉冲时间及环境温度有关。当脉冲时间Tp 一定时，PPR=K1K2VC(max )-Ipp式中K1为功率系数，K2为功率的温度系数。典型的脉冲持续时间tp为1MS，当施加到瞬态电压抑制二极管上的脉冲时间tp比标 准脉冲时间短时，其脉冲峰值功率将随tp的缩短而增加。TVS的反向脉冲峰值功率PPR与经受浪涌的脉冲波形有关，用功率系数K1表示E= f i(t)-V(t)dt式中：i(t)为脉冲电流波形，V(t)为箝位电压波形。这个额定能量值在极短的时间内对TVS是不可重复施加的。但是，在实际的应用中，浪 涌通常是重复地出现，在这种情况下，即使单个的脉冲能量比TVS器件可承受的脉冲能量要 小得多，但若重复施加，这些单个的脉冲能量积累起来，在某些情况下，也会超过TVS器件 可承受的脉冲能量。因此，电路设计必须在这点上认真考虑和选用TVS器件，使其在规定的 间隔时间内，重复施加脉冲能量的累积不至超过TVS器 件的脉冲能量额定值。6、电容CPPTVS的电容由硅片的面积和偏置电压来决定，电容在零偏情况下，随偏置电压的增加， 该电容值呈下降趋势。电容的大小会影响TVS器件的 响应时间。7、漏电流IR当最大反向工作电压施加到TVS上时，TVS管有一个漏电流IR，当TVS用于高阻抗电路 时，这个漏电流是一个重要的参数。第二章TVS选用原则在选用TVS时，必须考虑电路的具体条件，一般应遵循以下原则：一、大箝位电压VC (MAX)不大于电路的最大允许安全电压。二、最大反向工作电压(变位电压)VRWM不低于电路的最大工作电压，一般可以选VRWM 等于或略高于电路最大工作电压。三、额定的最大脉冲功率，必须大于电路中出现的最大瞬态浪涌功率。下面是TVS在电路应用中的典型例子：TVS用于交流电路：见图2-1，这是一个双向TVS在交流电路中的应用，可以有效地抑制电 网带来的过载脉冲，从而起到保护整流桥及负载中所有元器件的作用oTVS的箝位电压不大 于电路的最大允许电压。图2-2所示，是用单向TVS并联于整流管旁侧，以保护整流管不被 瞬时脉冲击穿，选用TVS必须是和整流管相匹配。图2-3所示电路中，单向TVS1和TVS2反 接并联于电源变压器输出端或选用一个双向TVS，用以保护整流电路及负载中的元器件。 TVS3保护整流以后的线路元件，如电源变压器输出端电压为36伏时一般TVS1和TVS2的工 作电压VR应根据36X来选择，其它参数依据电路中的具体条件而下。TVS用于直流电路，图2-4所示TVS并联于输出端，可有效地保护控制系统。TVS的反 向工作电压应等于或略高于直流供电电压，其它参数根据电路的具体条件而定。图2-5所示 为两个单向TVS连接在电源线路中，用以防止直流电源反接或电源通、断时产生的瞬时脉冲 使集成电路损坏。当电路连接有感性负载，如电机、断电器线圈、螺线管时，会产生很高的 瞬时脉冲电压，TVS可以保护晶体管及逻辑电路，从而省去了较复杂的电阻/电容保护网络。 TVS起保护和电压限制的作用。直流电中选用举例：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50MQ，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V (BR) = =15.3V；2、从击穿电压值选取最大箝位电压VC (MAX) =1.30XV(BR)=19.89V，取VC=20V；3、再从箝位电压VC和最在峰值电流IP计算出方波脉冲功率：PPR=VCxIP=20x50=1000W4、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从手册中可查到1N6147A其中PPR=1500W，变位电压VRWM=12.2V，击穿电压V(BR) =15.2V，最大箝位电压VC=22.3V，最大浪涌电流IP=67.3A。可满足上述设计要求，而且留有 一倍的余量，不论方波还是指数波都适用。交流电路应用举例：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1.11.2倍来选取TVS 管的最在反向工作电压VRWM。给出了 一个微机电源采用TVS作线路保护的原理图，由图可见：1、在进线的220V处加TVS管抑制220V交流电网中尖峰干扰。2、在变压器进线加上干扰滤波器，滤除小尖峰干扰。3、在变压输出端V=20V处又加上TVS管，再一次抑制干扰。4、到了直流10V输出时还加上TVS管抑制干扰。其中：双向 TVS 管 D1 的 VRWM=220VX1.4=308V 左右双向 TVS 管 D2 的 VRWM=20VX 1.4=28V 左右单向 TVS 管 D3 的 VRWM=10VX 1.2=12V 左右经过如上四次抑制，变成所谓的“净化电源”，还可以加上其它措施，更有效地抑制干 扰，防止干扰进入计算机的CPU及存贮器中，从而 提高微机系统的应用可靠性。从失效统计概率可知：微机系统产生100次故障，其中90次来自电源，10次是微机本 身，可见电源的可靠性最重要，要提高整机可靠性，首先应提高电源的可靠性。第三章TVS应用实例TVS在美国应用十分广泛，特别是在军事电子装备中非常重视，美国军标不但出牌了不 少TVS器件的标准，同时在线路应用方面也有军标，如MIL-HDBK-978B宇航用电子元器件 手册中第4.8节为“双极型瞬变电压抑制器”，文中列出不少TVS的应用实例MIL-HDBK-338B 电子设备可靠性手册中第7.4.4节为“瞬态和过应力保护”，文中也谈到了 TVS的应用。 TVS在国内的应用，正处于推广应用的阶段，为了加深电路设计人员对TVS的认识，提高国 产整机的可靠性，现将上述两个美国军标中译出的部分资料整理成文，推荐给广大电路设计 人员参考使用。一、TVS在微机中的应用实例一个典型的微机系统，通过电源线、输入线、输出线进入的各种干扰或瞬变电压，可能 使微机误动作出故障，特别是来自开关电源，微机近旁的电动机的开与关、交流电源电压的浪涌和瞬变、静电放电等场合都可能使系 统产生误动作，严重时还可能损坏器件。将瞬变电压抑制二极管接到微机的电源线输入和输出线上，可防止瞬变电压进入“微机”总线， 加强微机对外界干扰的抵抗能力，保证微机正常工作，提高其应用可靠性。，使用TVS管的量是很多的。二、TVS管保护开关电源实例对开关电源设计师来讲，必须对影响开头电源的三种瞬变类型进行保护：1、由负载变化引起的瞬变电压（电感负载）；2、由电源线引入的瞬变电压；3、由开关电源内部发生的瞬变电压。 由于电源中需要保护的典型元器件有：1、高反压开关晶体管（VMOS管）2、高压整流器（高压流整流二极管）3、输出整流器（输出大电流整流二极管）4、内部控制电路（脉宽调制器等）典型开关电源中应用TVS的实例，由图可见共有八个TVS管，各自保护自已的对象，当 然八个TVS管的特性也不同，从“击穿电压”、“最大脉冲峰值功率”、“脉冲峰值电流”到“箝 位电压”等都有区别。美国HP公司某仪器使用的开关电源，从图中可以看到该电源中所有 瞬变电压抑制二极管的数量及情况。国外应用TVS是非常普遍的，而且数量也是很多的，可见TVS对提高整机应用可靠性是 至关重要的。三、TVS保护直流稳压电源实例一个直流稳压电源，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晶体管的集电极到发射极间 的峰值电压，保护晶体管。建设在每个稳压源输出端增加一个TVS管，可大幅度提高整机应 用可靠性。四、TVS保护晶体管实例各种瞬变电压能使晶体管EB结或CE结击穿而损坏，特别是晶体管集电极有电感性（线 圈、变压器、电动机）负载时，会产生高压反电势，往往使晶体管损坏。建设采用TVS管作为保护器。图3-5为TVS保护晶体管的四种实例。五、TVS保护集成电路实例由于集成电路集成度越来越高，其耐压越来越低，容易受到瞬变电压的冲击而损坏，必须采取保护措施。例如CMOS电路在其输入端及输出端都有保护网路，为了更可靠起见，在各整机对外接口处还增加各种保护网络。图6中介 绍了 TTL及CMOS器件的有关保护措施。六、TVS保护可控硅实例可控硅可能误触发导致误动作，可控硅控制极电流不能太大，电压不能过高，必须采用 各种保护措施。七、TVS保护继电器实例继电器有驱动线圈，当用大功率晶体管驱动时，应采取保护措施，如图5所示。有时也 采用图8所示方法来抑制线圈中的高压反电势保护晶体管，哪个方案更好应根据实际情况决 定。图中二极管允许的电源应比晶体管的工作电流大一倍左右，例如继电器线圈的最大电流 IA，则二极管额定电流选2-3A左右，耐压则应大于电源电压的2倍左右，例如电源电压27V， 则二极管耐压应为60V以上。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。美国军标举例说明TVS管的选取方法：已知：TVS管的箝位电压VC，负载电感L和电阻RL计算：由图3-10可见：最大峰值电流IP =最大脉冲峰值功率PPR = IP X VC脉冲时间TP =瞬变电压抑制二极管的脉冲峰值功率与持续时间有一定关系见图3-11，否则会烧坏TVS管。八、TVS保护集成运放集成运放对外界电应力非常敏感，在使用运放的过程中，如果因操作失误或采取了不正 常的工作条件，出现了过大的电压或电流，特别是浪涌和静电脉冲，就很容易使运放受损或 换效。在运放差模输入端采取的过压损伤保护方法。积分电路中，如果电容充放电到高电位， 然后切断电源电压，就会在输入端产生瞬态电压，交出现大的放电电流，导致运放受损。如 果电容值较大（如大于0.1F），这种效应将会十分显著。采用简单的保护电路，就能有效 地防止差模电压过大，导致运放内部的电路失效。九、TVS抑制电磁脉冲干扰实例美国哈里期公司对电子元器件抗辐射的论文中，谈及核爆炸引发强大的电磁脉冲，这种 电脉冲在导线中引起感应电压，如果感应电压超过器件的击穿电压，就可能使元器件击穿失 效，特别长线传输时，更能感应而产生较高的电压。用瞬变电压抑制二极管并联在信号线及电源线上，可以吸收电磁脉冲引起的感应电压， 保证系统的可靠性，避免辐射损坏元器件。十、用TVS防止感应雷电损坏微机系统实例广州深圳海关计算机中上瞬变电压抑制器，提高了应用可靠性，受到用户好评。南方打雷很多，雷电感应电压常常把计算机网中的部分计算机的集成电路击穿。每年有 不少联网计算机因雷击而损坏，原因是分机与主机这间有200米以上的电缆，电缆中因雷电 感应产生瞬态高压把计算机中的元器件击穿而损坏，产生较大的损失，在微机中加装很多瞬 变电压抑制二级管后不再损坏。实践说明瞬变电压抑制二极管很实用，能提高整机应用可靠 性，会产生较大的经济效益。还有很多应用，例如对VMOS大功率三极管，在栅极与源机之间中上瞬变电压抑制二极 管，可以防止栅极击穿（见图3-13）提高VMOS功率 管的应用可靠性。