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一文看EMC防護器件之TVS

發(fā)布時間:2018-09-30 責任編輯:wenwei

【導讀】電壓及電流的瞬態(tài)干擾是造成電子電路及設備損壞的主要原因,常給人們帶來無法估量的損失。這些干擾通常來自于電力設備的起停操作、交流電網(wǎng)的不穩(wěn)定、雷電干擾及靜電放電等,瞬態(tài)干擾幾乎無處不在、無時不有,使人感到防不勝防。幸好,一種高效能的電路保護器件TVS的出現(xiàn)使瞬態(tài)干擾得到了有效抑制。
 
TVS(TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR)或稱瞬變電壓抑制二極管是在穩(wěn)壓管工藝基礎上發(fā)展起來的一種新產(chǎn)品,其電路符號和普通穩(wěn)壓二極管相同,外形也與普通二極管無異,當TVS管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時,它能以極高的速度(最高達1*10-12秒)使其阻抗驟然降低,同時吸收一個大電流,將其兩端間的電壓箝位在一個預定的數(shù)值上,從而確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。
 
TVS的特性及其參數(shù)
 
一文看EMC防護器件之TVS
圖1 TVS特性曲線
 
1.TVS的特性
 
如果用圖示儀觀察TVS的特性,就可得到圖1中左圖所示的波形。如果單就這個曲線來看,TVS管和普通穩(wěn)壓管的擊穿特性沒有什么區(qū)別,為典型的PN結雪崩器件。
 
但這條曲線只反映了TVS特性的一個部分,還必須補充右圖所示的特性曲線,才能反映TVS的全部特性。這是在雙蹤示波器上觀察到的TVS管承受大電流沖擊時的電流及電壓波形。
 
圖中曲線1是TVS管中的電流波形,它表示流過TVS管的電流由1mA突然上升到峰值,然后按指數(shù)規(guī)律下降,造成這種電流沖擊的原因可能是雷擊、過壓等。曲線2是TVS管兩端電壓的波形,它表示TVS中的電流突然上升時,TVS兩端電壓也隨之上升,但最大只上升到VC值,這個值比擊穿電壓VBR略大,從而對后面的電路元件起到保護作用。
 
TVS的參數(shù)
 
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圖2 TVS特性及參數(shù)
 
A. 擊穿電壓(VBR):TVS在此時阻抗驟然降低,處于雪崩擊穿狀態(tài)。
 
B. 測試電流(IT):TVS的擊穿電壓VBR在此電流下測量而得。一般情況下IT取1MA。
 
C. 反向變位電壓(VRWM):TVS的最大額定直流工作電壓,當TVS兩端電壓繼續(xù)上升,TVS將處于高阻狀態(tài)。
 
D. 最大反向漏電流(IR):在工作電壓下測得的流過TVS的最大電流。
 
E. 最大峰值脈沖電流(IPP):TVS允許流過的最大浪涌電流,它反映了TVS的浪涌抑制能力。
 
F. 最大箝位電壓(VC):當TVS管承受瞬態(tài)高能量沖擊時,管子中流過大電流,峰值為IPP,端電壓由VRWM值上升到VC值就不再上升了,從而實現(xiàn)了保護作用。浪涌過后,隨時間IPP以指數(shù)形式衰減,當衰減到一定值后,TVS兩端電壓由VC開始下降,恢復原來狀態(tài)。最大箝位電壓VC與擊穿電壓VBR之比稱箝位因子Cf,表示為Cf= VC /VBR,一般箝位因子僅為1.2~1.4。
 
G.  峰值脈沖功率(PP):PP按峰值脈沖功率的不同TVS分為四種,有500W、600W、1500W和5000W。最大峰值脈沖功率:最大峰值脈沖功率為:PN=VC·IPP。顯然,最大峰值脈沖功率愈大,TVS所能承受的峰值脈沖電流IPP愈大;另一方面,額定峰值脈沖功率PP確定以后,所TVS能承受的峰值脈沖電流IPP,隨著最大箝位電壓VC的降低而增加。TVS最大允許脈沖功率除了和峰值脈沖電流和箝位電壓有關外,還和脈沖波形、脈沖持續(xù)時間和環(huán)境溫度有關。
 
TVS所能承受的瞬時脈沖峰值可達數(shù)百安培,其箝位響應時間僅為1*10-12 秒;TVS所允許的正向浪涌電流,在 25℃,1/120秒的條件下,也可達50-200安培。一般地說,TVS所能承受的瞬時脈沖是不重復的脈沖。而實際應用中,電路里可能出現(xiàn)重復性脈沖。
 
TVS器件規(guī)定,脈沖重復率比(脈沖持續(xù)時間和間歇時間之比)為0.01%。如不符合這一條件,脈沖功率的積累有可能使TVS燒毀。電路設計人員應注意這一點。TVS的工作是可靠的,即使長期承受不重復性大脈沖的高能量的沖擊,也不會出現(xiàn)"老化"問題。試驗證明,TVS安全工作于10000次脈沖后,其最大允許脈沖功率仍為原值的80%以上。
 
TVS主要用于對電路元件進行快速過電壓保護。它能"吸收"功率高達數(shù)千瓦的浪涌信號。TVS具有體積小、功率大、響應快、無噪聲、價格低等諸多優(yōu)點,它的應用十分廣泛,如:家用電器;電子儀器;儀表;精密設備;計算機系統(tǒng);通訊設備;RS232、485及 CAN等通訊端口;ISDN的保護;I/O端口;IC電路保護;音、視頻輸入;交、直流電源;電機、繼電器噪聲的抑制等各個領域。它可以有效地對雷電、負載開關等人為操作錯誤引起的過電壓沖擊起保護作用,下面是幾個TVS在電路應用中的典型例子。
 
TVS的選用方法
 
1.確定待保護電路的直流電壓或持續(xù)工作電壓。如果是交流電,應計算出最大值,即用有效值*1.414。
 
2.TVS的反向變位電壓即工作電壓(VRWM)--選擇TVS的VRWM等于或大于上述步驟1所規(guī)定的操作電壓。這就保證了在正常工作條件下TVS吸收的電流可忽略不計,如果步驟1所規(guī)定的電壓高于TVS的VRWM ,TVS將吸收大量的漏電流而處于雪崩擊穿狀態(tài),從而影響電路的工作。
 
3.最大峰值脈沖功率:確定電路的干擾脈沖情況,根據(jù)干擾脈沖的波形、脈沖持續(xù)時間,確定能夠有效抑制該干擾的TVS峰值脈沖功率。
 
4.所選TVS的最大箝位電壓(VC)應低于被保護電路所允許的最大承受電壓。
 
5.單極性還是雙極性-常常會出現(xiàn)這樣的誤解即雙向TVS用來抑制反向浪涌脈沖,其實并非如此。雙向TVS用于交流電或來自正負雙向脈沖的場合。TVS有時也用于減少電容。如果電路只有正向電平信號,那麼單向TVS就足夠了。TVS操作方式如下:正向浪涌時,TVS處于反向雪崩擊穿狀態(tài);反向浪涌時,TVS類似正向偏置二極管一樣導通并吸收浪涌能量。在低電容電路里情況就不是這樣了。應選用雙向TVS以保護電路中的低電容器件免受反向浪涌的損害。
 
6.如果知道比較準確的浪涌電流IPP,那么可以利用VC來確定其功率,如果無法確定功率的大概范圍,一般來說,選擇功率大一些比較好。
 
 
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