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干貨!一文精通TVS計(jì)算及選型

2020/10/10 9:43:26??????點(diǎn)擊:

提到TVS,大部分電子工程師基本都知道是用來(lái)端口防護(hù)的,防止端口瞬間的電壓沖擊造成后級(jí)電路的損壞。由于其在電路中的極其重要的地位,但是,針對(duì)TVS的選型過(guò)程,很多廠家都是直接給推薦電路,直接告訴設(shè)計(jì)者答案選擇哪個(gè)器件,卻很少對(duì)選型過(guò)程提供理論計(jì)算,大部分的電子工程師針對(duì)TVS選型的時(shí)候,老人憑經(jīng)驗(yàn),新人憑參考,一旦更換廠家或者更換測(cè)試條件,就無(wú)從下手了,本文就專門解決該問(wèn)題,讓新人老人對(duì)TVS選型都能得心應(yīng)手。

01


TVS工作原理

TVS(Transient Voltage Suppressors),即瞬態(tài)電壓抑制器,又稱雪崩擊穿二極管。它是采用半導(dǎo)體工藝制成的單個(gè) PN 結(jié)或多個(gè) PN 結(jié)集成的器件。TVS 有單向與雙向之分,單向 TVS 一般應(yīng)用于直流供電電路,雙向 TVS 應(yīng)用于電壓交變的電路。如圖 1 所示,應(yīng)用于直流電路時(shí)單向 TVS 反向并聯(lián)于電路中,當(dāng)電路正常工作時(shí),TVS 處于截止?fàn)顟B(tài)(高阻態(tài)),不影響電路正常工作。當(dāng)電路出現(xiàn)異常過(guò)電壓并達(dá)到TVS(雪崩)擊穿電壓時(shí),TVS 迅速由高電阻狀態(tài)突變?yōu)榈碗娮锠顟B(tài),泄放由異常過(guò)電壓導(dǎo)致的瞬時(shí)過(guò)電流到地,同時(shí)把異常過(guò)電壓鉗制在較低的水平,從而保護(hù)后級(jí)電路免遭異常過(guò)電壓的損壞。當(dāng)異常過(guò)電壓消失后,TVS 阻值又恢復(fù)為高阻態(tài)。

02


TVS關(guān)鍵參數(shù)

工欲善其事,必先利其器,要用好TVS,必須先了解其關(guān)鍵的參數(shù)。
(1) Vrwm截止電壓:TVS 的最高工作電壓,可連續(xù)施加而不引起 TVS 劣化或損壞的最高工作峰值電壓或直流峰值電壓。對(duì)于交流電壓,用最高工作電壓有效值表示,在 V RWM 下,TVS 認(rèn)為是不工作的,即是不導(dǎo)通的。換一句話,電路的最高工作電壓必須小于Vrwm,否則將會(huì)導(dǎo)致TVS動(dòng)作導(dǎo)致電路異常。
(2) I R 漏電流: 漏電流,也稱待機(jī)電流。在規(guī)定溫度和最高工作電壓條件下,流過(guò) TVS 的最大電流。TVS 的漏電流一般是在截止電壓下測(cè)量,對(duì)于某一型號(hào) TVS, I R 應(yīng)在規(guī)定值范圍內(nèi)。對(duì) TVS 兩端施加電壓值為 V RWM ,從電流表中讀出的電流值即為 TVS的漏電流 I R 。對(duì)于同功率和同電壓的 TVS,在 V RWM ≤10V 時(shí),雙向 TVS 漏電流是單向 TVS 漏電流的 2 倍。對(duì)于一些模擬端口,漏電流會(huì)影響AD的采樣值,所以TVS的漏電流越小越好。

(3) V BR 擊穿電壓  擊穿電壓,指在 V-I 特性曲線上,在規(guī)定的脈沖直流電流 I T 或接近發(fā)生雪崩的電流條件下測(cè)得 TVS 兩端的電壓。測(cè)試的電流It一般選取10mA左右,施加的電流的時(shí)間不應(yīng)超過(guò)400ms,以免損壞器件,V BR MIN .和 V BR MAX .是 TVS 擊穿電壓的一個(gè)偏差,一般 TVS 為±5%的偏差。測(cè)量時(shí),V BR 落在 V BR MIN .和 V BR MAX .之間視為合格品。
(4) I PP 峰值脈沖電流 ,V C 鉗位電壓峰值脈沖電流,給定脈沖電流波形的峰值。TVS 一般選用 10/1000μs 電流波形。鉗位電壓,施加規(guī)定波形的峰值脈沖電流 I PP 時(shí),TVS 兩端測(cè)得的峰值電壓。I PP 及 V C 是衡量 TVS 在電路保護(hù)中抵抗浪涌脈沖電流及限制電壓能力的參數(shù),這兩個(gè)參數(shù)是相互聯(lián)系的。對(duì)于 TVS 在防雷保護(hù)電路中的鉗位特性,可以參考 V C 這個(gè)參數(shù)。對(duì)于相同型號(hào) TVS,在相同 I PP 下的V C 越小,說(shuō)明 TVS 的鉗位特性越好。TVS 的耐脈沖電流沖擊能力可以參考 I PP ,同型號(hào)的 TVS,I PP 越大,耐脈沖電流沖擊能力越強(qiáng)。
(5) 結(jié)電容CI,漏電流Ir;結(jié)電容是TVS中的寄生電容,在高速IO端口保護(hù)需要重點(diǎn)關(guān)注,過(guò)大的結(jié)電容可能會(huì)影響信號(hào)的質(zhì)量。漏電流主要帶來(lái)了功率的損耗,或者是在模擬信號(hào)中,會(huì)影響AD信號(hào)的采樣值。

03


TVS選型過(guò)程


了解了TVS的基本參數(shù),我們就開(kāi)始進(jìn)入最重要的TVS選型的過(guò)程了。選擇TVS之前,我們首先要明白選擇的終極目標(biāo):1.電壓合適能保護(hù)后級(jí)電路;2.引入的TVS的結(jié)電容不能影響電路;3.TVS功率余量充足,滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),且不能比保險(xiǎn)管先掛。選型的過(guò)程可以按照以下的步驟進(jìn)行:(1) 選擇TVS最高工作電壓Vrmw;(2) 選擇TVS鉗位電壓VC;(3) 選擇TVS的功率;(4) 評(píng)估漏電流Ir的影響;(5) 評(píng)估結(jié)電容的影響; 選擇TVS最高工作電壓Vrmw;在電路正常工作情況下,TVS 應(yīng)該是不工作的,即處于截止?fàn)顟B(tài),所以 TVS 的截止電壓應(yīng)大于被保護(hù)電路的最高工作電壓。這樣才能保證 TVS 在電路正常工作下不會(huì)影響電路工作。但是 TVS 的工作電壓高低也決定了 TVS 鉗位電壓的高低,在截止電壓大于線路正常工作電壓的情況下,TVS 工作電壓也不能選取的過(guò)高,如果太高,鉗位電壓也會(huì)較高,所以在選擇 Vrwm 時(shí),要綜合考慮被保護(hù)電路的工作電壓及后級(jí)電路的承受能力。要求Vrwm要大于工作電壓,否則工作電壓大于Vrwm會(huì)導(dǎo)致TVS反向漏電流增大,接近導(dǎo)通,或者雪崩擊穿,影響正常電路工作。綜合考慮,Vrwm可以參考以下的公式:Vrwm≈1.1~1.2*VCC ;--------其中VCC為電路的最高工作電壓。選擇選擇TVS鉗位電壓VC;TVS 鉗位電壓應(yīng)小于后級(jí)被保護(hù)電路最大可承受的瞬態(tài)安全電壓,VC 與 TVS 的雪崩擊穿電壓及 I PP 都成正比。對(duì)于同一功率等級(jí)的 TVS,其擊穿電壓越高 V C 也越高,所選TVS的最大箝位電壓Vc不能大于被防護(hù)電路可以承受的最大電壓。否則,當(dāng)TVS鉗在Vc時(shí)會(huì)對(duì)電路造成損壞。Vc可以參考以下的公式:
VC<Vmax ;-----其中Vmax為電路能承受的最高電壓.
選擇TVS的功率Pppm(或者Ipp);TVS 產(chǎn)品的額定瞬態(tài)功率應(yīng)大于電路中可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率,理論上,TVS的功率越大越好,能夠承受更多的沖擊能量和次數(shù),但是功率越高,TVS的封裝越大,價(jià)錢也越高,所以,TVS的功率滿足要求即可。對(duì)于不同功率等級(jí)的 TVS,相同電壓規(guī)格的 TVS 其 V C 值是一樣的,只是 I PP 不同。故 Pppm 與 Ippm成正比,Ippm 越大,Pppm 也越大。

對(duì)于某一電路 ,有對(duì)應(yīng)的測(cè)試要求,設(shè)實(shí)際電路中的最大測(cè)試電流為 Iactual ,則 Iactual 可估算為:Iactual=Uactual/Ri;---------其中 Uactual 為測(cè)試電壓,Ri為測(cè)試內(nèi)阻。
TVS 要通過(guò)測(cè)試,故實(shí)際電路中要求 10/1000μs 波形下 TVS 的最小功率 P actual 為:-------其中di/dt為波形轉(zhuǎn)換系數(shù),如實(shí)際測(cè)試波形為其他波形,如 8/20μs波形,建議di/dt取,如測(cè)試波形為 10/1000μs,取,實(shí)際選型中,TVS 應(yīng)留有一定的裕量,TVS 的功率PPMP 選擇應(yīng)遵循Pppm>Pactual。
根據(jù)所選的TVS的結(jié)電容和漏電流評(píng)估影響如果TVS 用在高速IO端口防護(hù)、模擬信號(hào)采樣、低功耗設(shè)備場(chǎng)合,就需要考慮結(jié)電容和漏電流的影響,兩則的參數(shù)越小越好。

04


TVS選型距離

數(shù)據(jù)都是無(wú)趣的,我們以實(shí)際的案例舉例。
電路的正常工作電壓VCC是24V,最高工作電壓Vmax是26V,后級(jí)電路可承受的最高瞬態(tài)電壓為50V,實(shí)驗(yàn)的測(cè)試波形為 8/20μs波形,測(cè)試電壓500V,測(cè)試電源內(nèi)阻及PPTC的靜態(tài)電阻合計(jì)為2Ω。根據(jù)上述信息選擇合適的TVS。

1) 選擇TVS最高工作電壓Vrmw≈1.1~1.2*VCC=26~28V2) 選擇選擇TVS鉗位電壓VC<Vmax=50V3) 計(jì)算實(shí)際測(cè)試波形功率:Pact=Vc**=50*(500/3)*1/2=4166W根據(jù)計(jì)算結(jié)果,可以選用5.0SMDJ26A這個(gè)TVS,由于這個(gè)TVS用在電源端口,結(jié)電容和漏電流基本可以忽略不計(jì)。