TVS及其在电路设计详解

TVS及其在电路设计详解0引言瞬态电压抑制器是一种二极管形式的高效能保护器件，具有极快的响应时间和相当高的浪涌吸收能力。当TVS的两端受到反向瞬态过压脉冲时，能以极高的速度把两端间的高阻抗变为低阻抗，以吸收瞬间大电流，并将电压箝制在预定数值，从而有效保护电路中的元器件免受损坏。本文讲述了TVS器件的主要特性参数和选用注意事项，同时给出了TVS在电路设计中的应用方法。1TVS器件的特性及主要参数1.1TVS的器件特性在规定的反向应用条件下，TVS对受保护的线路呈高阻抗状态。当瞬间电压超过其击穿电压时，TVS就会提供一个低阻抗的路径，并通过大电流方式使流向被保护元器件的瞬间电流分流到TVS二极管，同时将受保护元器件两端的电压限制在TVS的箝制电压。当过压条件消失后，TVS又恢复到高阻抗状态。与陶瓷电容相比，TVS可以承受15kV的电压，但陶瓷电容对高压的承受能力比较弱。5kV的冲击就会造成约10％陶瓷电容失效，而到10kV时，其损坏率将高达到60％。1.2TVS器件的主要参数（1）最小击穿电压VBR当TVS流过规定的电流时，TVS两端的电压称为最小击穿电压，在此区域，TVS呈低阻抗的通路。在25℃时，低于这个电压，TVS是不会发生雪崩击穿的。（2）额定反向关断电压VWMVWM是TVS在正常状态时可承受的电压，此电压应大于或等于被保护电路的正常工作电压。但它又需要尽量与被保护电路的正常工作电压接近，这样才不会在TVS工作以前使整个电路面对过压威胁。按TVS的VBR与标准值的离散度，可把VBR分为5％和10％两种，对于5％的VBR来说，VWM=0.85VBR腿；而对于10％的VBR来说，VWM=0.81VBR。（3）最大峰值脉冲电流IPPIpp是TVS在反向状态工作时，在规定的脉冲条件下，器件允许通过的最大脉冲峰值电流。（4）箝位电压Vc当脉冲峰值电流Ipp流过TVS时，其两端出现的最大电压值称为箝位电压Vc。Vc和Ipp反映了TVS的浪涌抑制能力。通常把Vc与VBR之比称为箝位因子（系数），其值一般在1.2～1.4之间。实际使用时，应使Vc不大于被保护电路的最大允许安全电压，否则被保护器件将面临被损坏的可能。（5）最大峰值脉冲功耗PMPM通常是最大峰值脉冲电流Ipp与箝位电压Vc的乘积，也就是最大峰值脉冲功耗。它是TVS能承受的最大峰值脉冲功耗值。在给定的最大钳位电压下，功耗PM越大，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、脉冲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可重复施加的。（6）电容量CTVS的电容是由其硅片的截面积和偏置电压来决定的，它是在1MHz特定频率下测得的。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，电容C是数据接口电路选用TVS的重要参数。（7）漏电流IRIR是最大反向工作电压施加到TVS上时，TVS管的漏电流。当TVS用于高阻抗电路时，这个漏电流IR一个重要参数。2选用TVS的注意事项在选用TVS时，根据电路的具体情况，一般应考虑以下几个主要因素：首先，由于双向TVS可以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。因此，若电路有可能承受来自两个方向的浪涌电压冲击时，应当选用双向TVS。双向TVS一般适用于交流电路，单向TVS一般用于直流电路。另外，箝位电压Vc不大于被保护电路的最大允许安全电压。其次，就是最大峰值脉冲功耗PM必须大于电路中出现的最大瞬态浪涌功率。但是，在实际应用过程中，浪涌有可能重复地出现，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，但是，如果重复施加，这些单个的脉冲能量积累起来，也可能在某些情况下超过TVS器件所能承受的脉冲能量。因此，在电路设计时，必须在这点上认真考虑并选用合适的TVS器件，以使其在规定的间隔时间内，重复施加脉冲能量的累积不至于超过TVS器件的脉冲能量额定值。第三，在实际应用过程中，对最大反向工作电压必须有正确的选取，一般原则是以交流电压的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管的最高反向工作电压。3TVS在电路设计中的典型应用在实际的应用电路中，处理瞬时脉冲对器件损害的最好办法，就是将瞬时电流从敏感器件引开。为达到这一目的，将TVS在线路板上与被保护线路并联。这样，当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TNS将发生雪崩击穿，从而提供给瞬时电流一个超低阻抗的通路，其结果是瞬时电流通过TVS被引开，从而避开被保护器件，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。在此之后，当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管再自动恢复至高阻状态，整个回路进入正常电压状态。以下是TVS在电路应用中的几个典型实例。3.1TVS在交流电路中的应用图1所示是一个双向TVS在交流电路中的应用电路。应用TVS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。图1中的TVS箝位电压应不大于电路的最大允许电压。3.2用TVS保护直流稳压电源图2是一个直流稳压电源，在其稳压输出端加上TVS，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，从而保护晶体管。建议在每个稳压源的输出端增加一个TVS管，这样可以大幅度地提高整机的可靠性。3.3用TVS保护晶体管电路各种瞬变电压能使晶体管的EB结或CE结击穿而损坏，特别是晶体管集电极有感性（线圈、变压器、电动机）负载时，通常会产生高压反电势，因而可能使晶体管损坏。在实际应用中，建议采用TVS作为保护器件。图3所示为TVS保护晶体管的四种电路实例.3.4集成电路的保护由于现代IC的集成度越来越高，而其耐压则越来越低，因而很容易受到瞬变电压的冲击而损坏，故须采取保护措施。通常在CMOS电路的输入端及输出端都有保护网路，为了可靠起见，在各整机对外接口处也增加了各种保护网络。图4给出了用TVS对TTL及CMOS器件进行保护的有关电路措施。3.5用TVS保护集成运放集成运放对外界电应力非常敏感。因此，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，往往会出现过大的电压或电流，特别是浪涌和静电脉冲，从而很容易使运放受损或失效。图5所示是用TVS在运放差模输入端防止过压损伤的保护电路。4结束语本文主要讲述了TVS器件的特性和主要参数，以及选用器件时的注意事项，同时给出了器件在电路设计中的典型应用电路，以便加深电路设计人员对TVS的认识，为设计出高可靠性的应用电路提供基础。虽然目前的TVS在国内的应用正处于推广阶段，但我们有理由相信，随着越来越多的设计者对TVS的认识不断加深以及TVS所表现出来的优异性能，TVS器件最终将获得极为广泛的应用。问：（1）哪位能说说TVS二极管的用法和特性啊，小弟最近在摸索阶段，一般TVS接在哪里？一般TVS接在哪里？（1）用处较多，常用语静电放电抑制，雷击浪涌等，一般应该用在电路器件的脉冲入口（2）一般用于瞬态抑制，主要类型有两种：（1）防雷型TVS管：譬如P6SMBJ6.8CA，600W（10us/1000us测试波形），通流量很大，反应速度小于1ns，但其寄生电容也很吓人，几百pF,一般用于RS422、RS485、CAN的后级防雷（前级用防电管）；（2）防静电型TVS管：譬如SMJA15-8、SLV2.8-4，寄生电容小，通流量小（300W,8us/20us测试波形），反应速度一般为pS级，一般用于USB、DVI等室内设备的静电防护（热插拔）（3）TVS管的通过功率通常不大，我做过一些测试，如果浪涌直接加到TVS管，很容易吧TVS管打坏掉。而压敏电阻则没事。因此我感觉TVS管应该在控制电路PCB上使用，压敏电阻用在220V接口。（4）TVS通常是用来抑制一些瞬态大能量如静电、浪涌、冲击等，抑制静电时，一般单独使用TVS就可以，但是，在抑制浪涌和冲击时，因为能量比较大，通常是用在防护电路的次级，防护电路初级通常为大通流的气体放电管、压敏电阻等，因为这些器件响应速度慢，会有很大的残压，所以次级用TVS做精细保护，初级和次级防护器件中间通常使用电感和电阻退耦，一般电源上使用电感，不消耗能量，而信号线上使用电阻，防止电感对高频信号产生影响。（5）使用TVS时，通常需要关注关断电压、响应电压、箝位电压、最大通流量、响应时间、结电容、功率等。关断电压是指TVS不动作的电压，大于关断电压，TVS将逐渐响应；响应电压为TVS完全动作的电压，箝位电压为TVS动作后电压稳定值，通常情况下，两者分别取需要保护工作电路电压的1.1倍和1.2倍左右，最大通流量需要考虑浪涌及冲击试验的等级，根据测试等级及发生器内阻做简单的估算，TVS响应时间都很小，通常为ns级，高速信号使用TVS时要考虑结电容，避免对高速信号产生影响，如百兆以太网TVS结电容不超过15pF等，TVS的功率为箝位电压与峰值电流（最大通流量）的乘积，通常TVS封装上会有如5KW等，这个就是指TVS的功率。（6）实际使用TVS时需要注意，其随温度结电容变化很大，而规格书上常温时的结电容没有意义，所以对速率比较高的信号，通常建议使用与二极管串联的TVS，降低结电容，另外TVS有单向的，也有双向的，一般厂家推荐单极信号如直流电源选单向的，平衡信号如差分对选双向的，实际选用时，建议选双向的，首先两个价钱基本一样，其次静电浪涌冲击等都有正负两个极性，可以双向保护。（7）另外如果选择TVS时通流量不够，可以将两个TVS并联，此时通流量加倍，响应电压等不变，但如果TVS串联，响应电压增倍，同流容量不变，特别注意，此时的TVS要为同一厂家、同一型号、同一批次的产品，否则可能达不到想要的效果甚至会带来负面的影响。（8）TVS失效的模式是短路，这个可以用万用表进行简单的测量确定。前面说过TVS的用途，可以看出来，一般都是用在I/O口或需要做静电的接口，另外在如复位等对静电敏感的信号线上也使用。（9）这两年市场上也出现了一种全新的TVS（见后面插图），具有传统TVS的所有特点，但通流量很大，可以在电路防护中代替初级防护器件如气体放电管和压敏电阻等，而且残压也很低，但是价钱特别贵，100RMB多一个，小型化设备对空间要求较高时可以使用，如果对空间要求不是很高，这种TVS的成本比传统的方案要高很多，没必要使用。TVS管，哪怕是放雷型TVS管，直接做10/700us浪涌实验，一般会打坏的，即使前级有防雷管、压敏电阻，其性能也会下降的2、请问ISO7637-2中的5A波形需要多大的TVS？没搞过这类东西，对这标准不熟悉，简单估算方法是试验电压/（发生器内阻+R）大概就是通流，电阻R一般为测试线缆的电阻，取个5~10欧就可以，知道了通流，然后乘以箝位电压就是你所要TVS的最小功率，箝位电压等的确定请参考前面的回复。