TVS防護電路的典型應用

TVS瞬態(tài)電壓抑制二極管原理應用特性


瞬態(tài)抑制二極管(TVS)又叫鉗位型二極管，是目前國際上普遍使用的一種高效能電路保護器件，它的外型與普通二極管相同，但卻能吸收高達數千瓦的浪涌功率，它的主要特點(diǎn)是在反向應用條件下，當承受一個(gè)高能量的大脈沖時(shí)，其工作阻抗立即降至極低的導通值，從而允許大電流通過(guò)，同時(shí)把電壓鉗制在預定水平，其響應時(shí)間僅為10-12毫秒，因此可有效地保護電子線(xiàn)路中的精密元器件。TVS允許的正向浪涌電流在TA＝250C，T＝10ms條件下，可達50～200A。雙向TVS可在正反兩個(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈沖功率，并把電壓鉗制到預定水平， 雙向TVS適用于交流電路，單向TVS一般用于直流電路?？捎糜诜览讚?、防過(guò)電壓、抗干擾、吸收浪涌功率等，是一種理想的保護器件。耐受能力用瓦特(W)表示。 

TVS（Transient Voltage Suppression）是一種限壓保護器件，作用與壓敏電阻很類(lèi)似。也是利用器件的非線(xiàn)性特性將過(guò)電壓鉗位到一個(gè)較低的電壓值實(shí)現對后級電路的保護。TVS管的主要參數有：反向擊穿電壓、*大鉗位電壓、瞬間功率、結電容、響應時(shí)間等。

TVS的響應時(shí)間可以達到ps級，是限壓型浪涌保護器件中*快的。用于電子電路的過(guò)電壓保護時(shí)其響應速度都可滿(mǎn)足要求。TVS管的結電容根據制造工藝的不同，大體可分為兩種類(lèi)型，高結電容型TVS一般在幾百～幾千pF的數量級，低結電容型TVS的結電容一般在幾pF～幾十pF的數量級。一般分立式TVS的結電容都較高，表貼式TVS管中兩種類(lèi)型都有。在高頻信號線(xiàn)路的保護中，應主要選用低結電容的TVS管。

TVS管的非線(xiàn)性特性比壓敏電阻好，當通過(guò)TVS管的過(guò)電流增大時(shí)，TVS管的鉗位電壓上升速度比壓敏電阻慢，因此可以獲得比壓敏電阻更理想的殘壓輸出。在很多需要精細保護的電子電路中，應用TVS管是比較好的選擇。TVS管的通流容量在限壓型浪涌保護器中是*小的，一般用于*末級的精細保護，因其通流量小，一般不用于交流電源線(xiàn)路的保護，直流電源的防雷電路使用TVS管時(shí)，一般還需要與壓敏電阻等通流容量大的器件配合使用。TVS管便于集成，很適合在單板上使用。

TVS具有的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可靈活選用單向或雙向保護器件，在單極性的信號電路和直流電源電路中，選用單向TVS管，可以獲得比較低的殘壓。
TVS的反向擊穿電壓、通流容量是電路設計時(shí)應重點(diǎn)考慮的。在直流回路中，應當有：min(UBR)≥(1.3～1.6)Umax，式中UBR為直流TVS的反向擊穿電壓，Umax是直流回路中的電壓峰值。

TVS管主要可用于直流電源、信號線(xiàn)路、天饋線(xiàn)路的防雷保護。
TVS管的失效模式主要是短路。但當通過(guò)的過(guò)電流太大時(shí)，也可能造成TVS管被炸裂而開(kāi)路。TVS管的使用壽命相對較長(cháng)。


TVS二極管的應用 


目前已廣泛應用于計算機系統、通訊設備、交/直流電源、汽車(chē)、電子鎮流器、家用電器、儀器儀表（電度表）、RS232/422/423/485、 I/O、LAN、ISDN 、ADSL、USB、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM、數字照相機的保護、共模/差模保護、RF耦合/IC驅動(dòng)接收保護、電機電磁波干擾抑制、聲頻/視頻輸入、傳感器/變速器、工控回路、繼電器、接觸器噪音的抑制等各個(gè)領(lǐng)域。  TVS器件的主要電參數 
（1）擊穿電壓V(BR) 
器件在發(fā)生擊穿的區域內，在規定的試驗電流I(BR)下，測得器件兩端的電壓稱(chēng)為擊穿電壓，在此區域內，二極管成為低阻抗的通路。 
（2）*大反向脈沖峰值電流IPP 
在反向工作時(shí)，在規定的脈沖條件下，器件允許通過(guò)的*大脈沖峰值電流。IPP與*大鉗位電壓VC(MAX)的乘積，就是瞬態(tài)脈沖功率的*大值。 
使用時(shí)應正確選取TVS，使額定瞬態(tài)脈沖功率PPR大于被保護器件或線(xiàn)路可能出現的*大瞬態(tài)浪涌功率。 

TVS二極管的分類(lèi) 


TVS器件可以按極性分為單極性和雙極性?xún)煞N，按用途可分為各種電路都適用的通用型器件和特殊電路適用的專(zhuān)用型器件。如：各種交流電壓保護器、 4~200mA電流環(huán)保器、數據線(xiàn)保護器、同軸電纜保護器、電話(huà)機保護器等。若按封裝及內部結構可分為：軸向引線(xiàn)二極管、雙列直插TVS陣列（適用多線(xiàn)保護）、貼片式、組件式和大功率模塊式等。 

TVS二極管的特點(diǎn) 


（1）將TVS二極管加在信號及電源線(xiàn)上，能防止微處理器或單片機因瞬間的肪沖，如靜電放電效應、交流電源之浪涌及開(kāi)關(guān)電源的噪音所導致的失靈。 
（2）靜電放電效應能釋放超過(guò)10000V、60A以上的脈沖，并能持續10ms；而一般的TTL器件，遇到超過(guò)30ms的10V脈沖時(shí)，便會(huì )導至損壞。利用TVS二極管，可有效吸收會(huì )造成器件損壞的脈沖，并能消除由總線(xiàn)之間開(kāi)關(guān)所引起的干擾（Crosstalk）。 
（3）將TVS二極管放置在信號線(xiàn)及接地間，能避免數據及控制總線(xiàn)受到不必要的噪音影響。 

TVS的選用技巧 


（1）確定被保護電路的*大直流或連續工作電壓、電路的額定標準電壓和“優(yōu)異”容限。 
（2）TVS額定反向關(guān)斷VWM應大于或等于被保護電路的*大工作電壓。若選用的VWM太低，器件可能進(jìn)入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。串行連接分電壓，并行連接分電流。 
（3）TVS的*大鉗位電壓VC應小于被保護電路的損壞電壓。 
（4）在規定的脈沖持續時(shí)間內，TVS的*大峰值脈沖功耗PM必須大于被保護電路內可能出現的峰值脈沖功率。在確定了*大鉗位電壓后，其峰值脈沖電流應大于瞬態(tài)浪涌電流。 
（5）對于數據接口電路的保護，還必須注意選取具有合適電容C的TVS器件。 
（6）根據用途選用TVS的極性及封裝結構。交流電路選用雙極性TVS較為合理；多線(xiàn)保護選用TVS陣列更為有利。 
（7）溫度考慮。瞬態(tài)電壓抑制器可以在－55℃～+150℃之間工作。如果需要TVS在一個(gè)變化的溫度工作，由于其反向漏電流ID是隨增加而增大；功耗隨TVS結溫增加而下降，從+25℃～+175℃，大約線(xiàn)性下降50％雨擊穿電壓VBR隨溫度的增加按一定的系數增加。因此，必須查閱有關(guān)產(chǎn)品資料，考慮溫度變化對其特性的影響。            處理瞬時(shí)脈沖對元件損害的*好辦法是將瞬時(shí)電流從感應元件引開(kāi)。TVS二極管在線(xiàn)路板上與被保護線(xiàn)路并聯(lián)，當瞬時(shí)電壓超過(guò)電路正常工作電壓后，TVS二極管便產(chǎn)生雪崩，提供給瞬時(shí)電流一個(gè)超低電阻通路，其結果是瞬時(shí)電流透過(guò)二極管被引開(kāi)，避開(kāi)被保護元件，并且在電壓恢復正常值之前使被保護回路一直保持截止電壓。當瞬時(shí)脈沖結束以后，TVS二極管自動(dòng)回覆高阻狀態(tài)，整個(gè)回路進(jìn)入正常電壓。許多元件在承受多次沖擊后，其參數及性能會(huì )產(chǎn)生退化，而只要工作在限定范圍內，二極管將不會(huì )產(chǎn)生損壞或退化。 

從以上過(guò)程可以看出，在選擇TVS二極管時(shí)，必須注意以下幾個(gè)參數的選擇： 

1.*小擊穿電壓VBR和擊穿電流I R 。VBR是TVS*小的擊穿電壓，在25℃時(shí)，低于這個(gè)電壓TVS是不會(huì )產(chǎn)生雪崩的。當TVS流過(guò)規定的1mA電流(IR )時(shí)，加于TVS兩極的電壓為其*小擊穿電壓V BR 。按TVS的VBR與標準值的離散程度，可把VBR分為5％和10％兩種。對于5％的VBR來(lái)說(shuō)，V WM =0.85VBR；對于10％的VBR來(lái)說(shuō)，V WM =0.81VBR。為了滿(mǎn)足IEC61000-4-2國際標準，TVS二極管必須達到可以處理*小8kV(接觸)和15kV(空氣)的ESD沖擊，部份半導體廠(chǎng)商在自己的產(chǎn)品上使用了更高的抗沖擊標準。對于某些有特殊要求的可攜設備應用，設計者可以依需要挑選元件。 

2.*大反向漏電流ID和額定反向切斷電壓VWM。VWM是二極管在正常狀態(tài)時(shí)可承受的電壓，此電壓應大于或等于被保護電路的正常工作電壓，否則二極管會(huì )不斷截止回路電壓；但它又需要盡量與被保護回路的正常工作電壓接近，這樣才不會(huì )在TVS工作以前使整個(gè)回路面對過(guò)壓威脅。當這個(gè)額定反向切斷電壓VWM加于TVS的兩極間時(shí)它處于反向切斷狀態(tài)，流過(guò)它的電流應小于或等于其*大反向漏電流ID。 

3.*大鉗位電壓VC和*大峰值脈沖電流I PP 。當持續時(shí)間為20ms的脈沖峰值電流IPP流過(guò)TVS時(shí)，在其兩端出現的*大峰值電壓為VC。V C 、IPP反映了TVS的突波抑制能力。VC與VBR之比稱(chēng)為鉗位因子，一般在1.2~1.4之間。VC是二極管在截止狀態(tài)提供的電壓，也就是在ESD沖擊狀態(tài)時(shí)通過(guò)TVS的電壓，它不能大于被保護回路的可承受極限電壓，否則元件面臨被損傷的危險。 

4. Pppm額定脈沖功率，這是基于*大截止電壓和此時(shí)的峰值脈沖電流。對于手持設備，一般來(lái)說(shuō)500W的TVS就足夠了。*大峰值脈沖功耗PM是TVS能承受的*大峰值脈沖功耗值。在特定的*大鉗位電壓下，功耗PM越大，其突波電流的承受能力越大。在特定的功耗PM下，鉗位電壓VC越低，其突波電流的承受能力越大。另外，峰值脈沖功耗還與脈沖波形、持續時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)。而且，TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重覆的，元件規定的脈沖重覆頻率(持續時(shí)間與間歇時(shí)間之比)為0.01％。如果電路內出現重覆性脈沖，應考慮脈沖功率的累積，有可能損壞TVS。 

  5.電容器量C。電容器量C是由TVS雪崩結截面決定的，是在特定的1MHz頻率下測得的。C的大小與TVS的電流承受能力成正比，C太大將使訊號衰減。因此，C是數據介面電路選用TVS的重要參數。電容器對于數據/訊號頻率越高的回路，二極管的電容器對電路的干擾越大，形成噪音或衰減訊號強度，因此需要根據回路的特性來(lái)決定所選元件的電容器范圍。高頻回路一般選擇電容器應盡量小(如LCTVS、低電容器TVS，電容器不大于3pF)，而對電容器要求不高的回路電容器選擇可高于40pF。  TVS二極管特性曲線(xiàn)：
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直流電源防護設計


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室外網(wǎng)口防護電路


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注意，TVS管的寄生電容可能影響信號完整性，可以使用壓敏電阻放在變壓器抽頭，作為防護電路，支持更高速率的網(wǎng)口設計。


232防護電路設計


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485防護電路設計


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