TVS管原理和電容作用(共5頁(yè))

1、TVS管1 原理TVS管有單方向(單個(gè)二極管)和雙方向(兩個(gè)背對(duì)背連接的二極管)兩種。單方向的TVS管的電路符號(hào)與普通的穩(wěn)壓管相同，其電壓電流特性曲線如圖1所示，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。圖2是單向TVS的電流-時(shí)間和電壓-時(shí)間曲線。圖3是雙向TVS管的電路圖形符號(hào)。圖1 TVS電壓電流特性圖2 TVS電壓(電流)時(shí)間特性圖3 雙向TVS管的電路圖形符號(hào)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(guò)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。

2、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(guò)程。當(dāng)TVS兩極受到反向高能量沖擊時(shí)，它能以1012s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。2 參數(shù)1) 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)

3、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(guò)它的電流應(yīng)小于或等于其最大反向漏電流ID。2) 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(guò)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(duì)于5的VBR來(lái)說(shuō)，VWM=0.85VBR；對(duì)于10的VBR來(lái)說(shuō)，VWM=0.81VBR。3) 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(guò)TVS時(shí)，在其兩端出現(xiàn)的最大峰值電壓為VC。VC、IPP反映

4、了TVS的浪涌抑制能力。VC與VBR之比稱為箝位因子，一般在1.21.4之間。4) 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(cè)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)。5) 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

5、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。6) 箝位時(shí)間TC。TC是從零到最小擊穿電壓VBR的時(shí)間。對(duì)單極性TVS小于110-12s；對(duì)雙極性TVS小于1010-12s。3 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(chǎng)合。對(duì)于高密度安裝的場(chǎng)合還可以選擇雙列直插和表面貼裝的封裝形式。4 選型

6、1) 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。2) 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。3) 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。4) 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600W

7、TVS，對(duì)1000ms脈寬最大吸收功率為600W，但是對(duì)50ms脈寬吸收功率就可達(dá)到2100W，而對(duì)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。 5) 平均穩(wěn)態(tài)功率的匹配對(duì)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(kāi)關(guān)或電機(jī)控制等場(chǎng)合，有必要引入平均穩(wěn)態(tài)功率的概念。舉例說(shuō)明，在一功率開(kāi)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)

8、1/120=0.0083s，峰值吸收功率是箝位電壓與脈沖電流的乘積11.2V25A=280W，平均功率則為峰值功率與脈沖寬度對(duì)脈沖間隔比值的乘積，即280(0.000004S/0.0083S)=0.134W。也就是說(shuō)，選用的TVS平均穩(wěn)態(tài)功率必須大于0.134W。6) 對(duì)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。7) 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。8) 溫度考慮瞬態(tài)電壓抑制器可以在55150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

9、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(duì)其特性的影響。5 注意事項(xiàng)1) 對(duì)瞬變電壓的吸收功率(峰值)與瞬變電壓脈沖寬度間的關(guān)系。手冊(cè)給的只是特定脈寬下的吸收功率(峰值)，而實(shí)際線路中的脈沖寬度則變化莫測(cè)，事前要有估計(jì)。對(duì)寬脈沖應(yīng)降額使用。2) 對(duì)小電流負(fù)載的保護(hù)，可有意識(shí)地在線路中增加限流電阻，只要限流電阻的阻值適當(dāng)，不會(huì)影響線路的正常工作，但限流電阻對(duì)干擾所產(chǎn)生的電流卻會(huì)大大減小。這就有可能選用峰值功率較小的TVS管來(lái)對(duì)小電流負(fù)載線路進(jìn)行保護(hù)。3) 對(duì)重復(fù)出現(xiàn)的瞬變電壓的抑制，尤其值得注意的是TVS管的穩(wěn)態(tài)平

10、均功率是否在安全范圍之內(nèi)。4) 作為半導(dǎo)體器件的TVS管，要注意環(huán)境溫度升高時(shí)的降額使用問(wèn)題。 特別要注意TVS管的引線長(zhǎng)短，以及它與被保護(hù)線路的相對(duì)距離。 當(dāng)沒(méi)有合適電壓的TVS管供采用時(shí)，允許用多個(gè)TVS管串聯(lián)使用。串聯(lián)管的最大電流決定于所采用管中電流吸收能力最小的一個(gè)。而峰值吸收功率等于這個(gè)電流與串聯(lián)管電壓之和的乘積。5) TVS管的結(jié)電容是影響它在高速線路中使用的關(guān)鍵因素，在這種情況下，一般用一個(gè)TVS管與一個(gè)快恢復(fù)二極管以背對(duì)背的方式連接，由于快恢復(fù)二極管有較小的結(jié)電容，因而二者串聯(lián)的等效電容也較小，可滿足高頻使用的要求。6 注：對(duì)TVS管的瞬間保護(hù)作用，有的資料上說(shuō)是發(fā)生了齊納擊穿

11、，有的說(shuō)是雪崩擊穿，筆者采用的觀點(diǎn)是雪崩擊穿。從而將穩(wěn)壓管（齊納二極管）與TVS管區(qū)分。基本上參照了【周立敏TVS瞬態(tài)干擾抑止管性能與應(yīng)用】電容的作用:1）旁路旁路電容是為本地器件提供能量的儲(chǔ)能器件，它能使穩(wěn)壓器的輸出均勻化，降低負(fù)載需求。 就像小型可充電電池一樣，旁路電容能夠被充電，并向器件進(jìn)行放電。為盡量減少阻抗，旁路電容要盡量靠近負(fù)載器件的供電電源管腳和地管腳。 這能夠很好地防止輸入值過(guò)大而導(dǎo)致的地電位抬高和噪聲。地電位是地連接處在通過(guò)大電流毛刺時(shí)的電壓降。2）去耦去耦，又稱解耦。 從電路來(lái)說(shuō)， 總是可以區(qū)分為驅(qū)動(dòng)的源和被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。如果負(fù)載電容比較大， 驅(qū)動(dòng)電路要把電容充電、放電， 才

12、能完成信號(hào)的跳變，在上升沿比較陡峭的時(shí)候，電流比較大， 這樣驅(qū)動(dòng)的電流就會(huì)吸收很大的電源電流，由于電路中的電感，電阻（特別是芯片管腳上的電感，會(huì)產(chǎn)生反彈），這種電流相對(duì)于正常情況來(lái)說(shuō)實(shí)際上就是一種噪聲，會(huì)影響前級(jí)的正常工作，這就是所謂的“耦合”。去耦電容就是起到一個(gè)“電池”的作用，滿足驅(qū)動(dòng)電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾。將旁路電容和去耦電容結(jié)合起來(lái)將更容易理解。旁路電容實(shí)際也是去耦合的，只是旁路電容一般是指高頻旁路，也就是給高頻的開(kāi)關(guān)噪聲提高一條低阻抗泄防途徑。高頻旁路電容一般比較小，根據(jù)諧振頻率一般取0.1F、0.01F 等；而去耦合電容的容量一般較大，可能是10F 或者更大，依據(jù)電路

13、中分布參數(shù)、以及驅(qū)動(dòng)電流的變化大小來(lái)確定。旁路是把輸入信號(hào)中的干擾作為濾除對(duì)象，而去耦是把輸出信號(hào)的干擾作為濾除對(duì)象，防止干擾信號(hào)返回電源。這應(yīng)該是他們的本質(zhì)區(qū)別。3）濾波從理論上（即假設(shè)電容為純電容）說(shuō)，電容越大，阻抗越小，通過(guò)的頻率也越高。但實(shí)際上超過(guò)1F 的電容大多為電解電容，有很大的電感成份，所以頻率高后反而阻抗會(huì)增大。有時(shí)會(huì)看到有一個(gè)電容量較大電解電容并聯(lián)了一個(gè)小電容，這時(shí)大電容通低頻，小電容通高頻。電容的作用就是通高阻低，通高頻阻低頻。電容越大低頻越容易通過(guò)。具體用在濾波中,大電容（1000F）濾低頻，小電容（20pF）濾高頻。曾有網(wǎng)友形象地將濾波電容比作“水塘”。由于電容的兩端電壓不會(huì)突變，由此可知，信號(hào)頻率越高則衰減越大，可很形象的說(shuō)電容像個(gè)水塘，不會(huì)因幾滴水的加入或蒸發(fā)而引起水量的變化。它把電壓的變動(dòng)轉(zhuǎn)化為電流的變化，頻率越高，峰值