【導(dǎo)讀】硅瞬變吸收二極管的工作有點(diǎn)象普通的穩(wěn)壓管,是箝位型的干擾吸收器件;其應(yīng)用是與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)使用。 硅瞬變電壓吸收二極管具有極快的響應(yīng)時(shí)間(亞納秒級(jí))和相當(dāng)高的浪涌吸收能力,及極多的電壓檔次??捎糜诒Wo(hù)設(shè)備或電路免受靜電、電感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變電壓,以及感應(yīng)雷所產(chǎn)生的過電壓。
硅瞬變吸收二極管
TVS管有單方向(單個(gè)二極管)和雙方向(兩個(gè)背對背連接的二極管)兩種,它們的主要參數(shù)是擊穿電壓、漏電流和電容。使用中TVS管的擊穿電壓要比被保護(hù)電路工作電壓高10%左右,以防止因線路工作電壓接近TVS擊穿電壓,使TVS漏電流影響電路正常工作;也避免因環(huán)境溫度變化導(dǎo)致TVS管擊穿電壓落入線路正常工作電壓的范圍。
TVS管有多種封裝形式,如軸向引線產(chǎn)品可用在電源饋線上;雙列直插的和表面貼裝的適合于在印刷板上作為邏輯電路、I/O總線及數(shù)據(jù)總線的保護(hù)。
TVS的特性
TVS的電路符號(hào)和普通的穩(wěn)壓管相同。其正向特性與普通二極管相同,反向特性為典型的PN結(jié)雪崩器件。在浪涌電壓的作用下,TVS兩極間的電壓由額定反向關(guān)斷電壓VWM上升到擊穿電壓VBR,而被擊穿。隨著擊穿電流的出現(xiàn),流過TVS的電流將達(dá)到峰值脈沖電流IPP,同時(shí)在其兩端的電壓被箝位到預(yù)定的最大箝位電壓VC以下。其后,隨著脈沖電流按指數(shù)衰減,TVS兩極間的電壓也不斷下降,最后恢復(fù)到初態(tài),這就是TVS抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖功率,保護(hù)電子元器件的過程。當(dāng)TVS兩極受到反向高能量沖擊時(shí),它能以10~12s級(jí)的速度,將其兩極間的阻抗由高變低,吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率,使兩極間的電位箝位于預(yù)定值,有效地保護(hù)電子設(shè)備中的元器件免受浪涌脈沖的損害。TVS具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓容易控制、體積小等優(yōu)點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用于家用電器、電子儀表、通訊設(shè)備、電源、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域。
TVS的主要參數(shù)
最大反向漏電流ID和額定反向關(guān)斷電壓VWM。VWM是TVS最大連續(xù)工作的直流或脈沖電壓,當(dāng)這個(gè)反向電壓加于TVS的兩極間時(shí)它處于反向關(guān)斷狀態(tài),流過它的電流應(yīng)小于或等于其最大反向漏電流ID。最小擊穿電壓VBR和擊穿電流IR。VBR是TVS最小的擊穿電壓。在25℃時(shí),低于這個(gè)電壓TVS是不會(huì)發(fā)生雪崩的。當(dāng)TVS流過規(guī)定的1mA電流(IR)時(shí),加于TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓VBR。按TVS的VBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度,可把VBR分為5%和10%兩種。對于5%的VBR來說,VWM=0.85VBR;對于10%的VBR來說,VWM=0.81VBR。
最大箝位電壓VC和最大峰值脈沖電流IPP。當(dāng)持續(xù)時(shí)間為20mS的脈沖峰值電流IPP流過TVS時(shí),在其兩端出現(xiàn)的最大峰值電壓為VC。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC與VBR之比稱為箝位因子,一般在1.2~1.4之間。
電容量C。電容量C是由TVS雪崩結(jié)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太大將使信號(hào)衰減。因此,C是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS的重要參數(shù)。
最大峰值脈沖功耗PM。PM是TVS能承受的最大峰值脈沖功率耗散值。在給定的最大箝位電壓下,功耗PM越大,其浪涌電流的承受能力越大;在給定的功耗PM下,箝位電壓VC越低,其浪涌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(xù)時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)。而且,TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重復(fù)的,器件規(guī)定的脈沖重復(fù)頻率(持續(xù)時(shí)間與間歇時(shí)間之比)為0.01%。如果電路內(nèi)出現(xiàn)重復(fù)性脈沖,應(yīng)考慮脈沖功率的累積,有可能損壞TVS。
箝位時(shí)間TC。TC是從零到最小擊穿電壓VBR的時(shí)間。對單極性TVS小于1×10-12s;對雙極性TVS小于10×10-12s。
TVS的分類
TVS器件按極性可分為單極性和雙極性兩種;按用途可分為通用型和專用型;按封裝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為:軸向引線二極管、雙列直插TVS陣列、貼片式和大功率模塊等。軸向引線的產(chǎn)品峰值功率可以達(dá)到400W、500W、600W、1500W和5000W。其中大功率的產(chǎn)品主要用在電源饋線上,低功率產(chǎn)品主要用在高密度安裝的場合。對于高密度安裝的場合還可以選擇雙列直插和表面貼裝的封裝形式。
TVS的選用
確定被保護(hù)電路的最大直流或連續(xù)工作電壓,電路的額定標(biāo)準(zhǔn)電壓和最大可承受電壓。
TVS的額定反向關(guān)斷電壓VWM應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的最大工作電壓。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。
TVS的最大反向箝位電壓VC應(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓。
在規(guī)定的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi),TVS的最大峰值脈沖功率PM必須大于被保護(hù)電路可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。在確定了最大箝位電壓后,其峰值脈沖電流應(yīng)大于瞬態(tài)浪涌電流。一般TVS的最大峰值脈沖功率是以10/1000ms的非重復(fù)脈沖給出的,而實(shí)際的脈沖寬度是由脈沖源決定的,當(dāng)脈沖寬度不同時(shí)其峰值功率也不同。如某600WTVS,對1000ms脈寬最大吸收功率為600W,但是對50ms脈寬吸收功率就可達(dá)到2100W,而對10ms的脈寬最大吸收功率就只有200W了。而且吸收功率還和脈沖波形有關(guān):如果是半個(gè)正弦波形式的脈沖,吸收功率就要減到75%,若是方波形式的脈沖,吸收功率就要減到66%。
平均穩(wěn)態(tài)功率的匹配對于需要承受有規(guī)律的、短暫的脈沖群沖擊的TVS,如應(yīng)用在繼電器、功率開關(guān)或電機(jī)控制等場合,有必要引入平均穩(wěn)態(tài)功率的概念。舉例說明,在一功率開關(guān)電路中會(huì)產(chǎn)生120Hz,寬度為4ms,峰值電流為25A的脈沖群。選用的TVS可以將單個(gè)脈沖的電壓箝位到11.2V。此中平均穩(wěn)態(tài)功率的計(jì)算為:脈沖時(shí)間間隔等于頻率的倒數(shù)1/120=0.0083s,峰值吸收功率是箝位電壓與脈沖電流的乘積11.2V×25A=280W,平均功率則為峰值功率與脈沖寬度對脈沖間隔比值的乘積,即 280×(0.000004S/0.0083S)=0.134W。也就是說,選用的TVS平均穩(wěn)態(tài)功率必須大于0.134W。
對于數(shù)據(jù)接口電路的保護(hù),還必須注意選取具有合適電容C的TVS器件。
根據(jù)用途選用TVS的極性及封裝結(jié)構(gòu)。交流電路選用雙極性TVS較為合理;多線保護(hù)選用TVS陣列更為有利。
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)變化的溫度下工作,由于其反向漏電流ID是隨溫度增加而增大;功耗隨TVS結(jié)溫增加而下降,從+25℃到+175℃,大約線性下降50%;擊穿電壓VBR隨溫度的增加按一定的系數(shù)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。