TVS二極管在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1、TVS二極管在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 摘要：瞬變電壓抑制二極管（Transient Voltage Suppressor）是一種保護(hù)敏感元器件免受ESD和EMI浪涌脈沖的有效、低成本的器件。本文介紹了TVS二極管的特性及關(guān)鍵參數(shù)；給出了TVS二極管選型及在電路設(shè)計(jì)中的典型應(yīng)用，同時(shí)給出了TVS二極管的性能優(yōu)化及使用時(shí)注意事項(xiàng)。 關(guān)鍵詞：TVS；電路設(shè)計(jì)；元器件保護(hù) Abstract: Transient voltage suppression is an effective low-cost chip, to protect sensitive electronic component from e

2、lectrostatic discharge and electromagnetic interference surge interference. In this article , will describes as below : 1). the characteristics and Key parameters of Transient voltage suppression; 2). How to select Transient voltage suppression and the typical application in circuit design, 3).the T

3、ransient voltage suppression performance optimization and operating precautions. Key words: TVS; circuit design; electronic component protection引言 瞬態(tài)抑制(TVS)二極管又叫箝位型二極管，是目前普遍使用的一種高效能電路保護(hù)器件，它的外型與普通二極管相同，但其吸收的浪涌功率可達(dá)數(shù)千瓦，它的主要特點(diǎn)是在反向應(yīng)用條件下，當(dāng)承受一個(gè)高能量的脈沖時(shí)，其工作阻抗立即降至極低的導(dǎo)通值，從而允許大電流通過，同時(shí)把電壓箝制在預(yù)定水平，其響應(yīng)時(shí)間<1ns，因此可

4、有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件。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、箝位電壓較易控制、損壞極限較高、體積小等優(yōu)點(diǎn)。1 TVS二極管的特性及關(guān)鍵參數(shù)1.1 TVS二極管的特性 在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下，TVS二極管對受保護(hù)的線路呈高阻抗?fàn)顟B(tài)。當(dāng)瞬間電壓超過其擊穿電壓時(shí)，TVS二極管就會(huì)提供一個(gè)低阻抗的路徑，并通過大電流方式使流向被保護(hù)元器件的瞬間電流分流到TVS二極管，同時(shí)將受保護(hù)元器件兩端的電壓限制在TVS二極管的箝位電壓。當(dāng)過壓條件消失后，TVS二極管又恢復(fù)到高阻抗?fàn)顟B(tài)。1.2 TVS二極管的關(guān)鍵參數(shù)1.2.1 最小擊穿電壓VBR 器件在發(fā)生擊穿的區(qū)域內(nèi)，在規(guī)定的試驗(yàn)電流I

5、BR（一般情況IBR1mA）下，測得器件兩端的電壓稱為最小擊穿電壓。1.2.2 反向斷態(tài)電壓VRWM TVS二極管最大連續(xù)工作的直流或脈沖電壓，該電壓施加于TVS二極管的兩極間時(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IR。1.2.3 脈沖峰值電流IPP 反向工作時(shí)，在規(guī)定的脈沖波形（如：10/1000s雙指數(shù)波形）條件下，器件允許通過的最大浪涌電流。1.2.4 最大箝位電壓VC 當(dāng)脈沖峰值電流IPP流過TVS二極管時(shí)，其兩端出現(xiàn)的最大電壓值稱為箝位電壓VC。VC和IPP反映了TVS二極管的浪涌抑制能力。通常把VC與VBR之比稱為箝位因子（系數(shù)），其值一般在1.21.4之

6、間。1.2.5 脈沖峰值功率PPP 脈沖峰值功率PPP是指脈沖峰值電流IPP與最大箝位電壓VC的乘積，即PPPIPP×VC。它是TVS二極管能承受的最大峰值功率。在給定的最大箝位電壓下，脈沖峰值功率PPP越大，其浪涌電流的承受能力越大。1.2.6 結(jié)電容CJ TVS二極管結(jié)電容CJ是由其硅片的雪崩結(jié)截面和偏置電壓來決定的，是在特定頻率（1MHz）下測得。 CJ的大小與TVS二極管的電流承受能力成正比，CJ太大，將使信號(hào)衰減。因此，電容CJ是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS二極管的重要參數(shù)。1.2.7 最大反向漏電流IR 當(dāng)反向斷態(tài)電壓VRWM施加到TVS二極管上時(shí)，TVS二極管對應(yīng)的電流IR。

7、2 選用TVS二極管的注意事項(xiàng) 在選用TVS二極管時(shí)，根據(jù)電路的具體情況，一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)主要因素： a) 若TVS二極管有可能承受來自兩個(gè)方向的尖峰脈沖電壓沖擊時(shí)，優(yōu)先選用雙極性。交流電路必 須選用雙極性TVS二極管；多線保護(hù)選用TVS二極管陣列。大功率保護(hù)選用TVS二極管專用保護(hù)模塊。 b) 所選用TVS二極管的VC值必須低于被保護(hù)元件的最高工作電壓（峰值），也不能大于被保護(hù)回 路的可承受極限電壓，否則被保護(hù)元件有可能被損壞。 c) TVS二極管的反向斷態(tài)電壓VRWM應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的最大工作電壓。若選用的VRWM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。 d)

8、TVS二極管在正常工作狀態(tài)下不能處于擊穿狀態(tài)，所承受的電必須處于VRWM以下，應(yīng)綜合考慮 VRWM和VC兩方面的要求來選擇適當(dāng)?shù)钠骷吞?hào)。 e) 利用VC×IPP來確定功率，如果沒有準(zhǔn)確的IPP值，可根據(jù)電磁兼容試驗(yàn)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)值來確定。 f) 結(jié)電容CJ的大小與TVS二極管的電流承受能力成正比，但CJ過大將使信號(hào)衰減。對于信號(hào)頻 率越高的電路，結(jié)電容對電路的影響越大，形成噪聲也較大。在實(shí)際使用電路信號(hào)頻率較高時(shí)，需要考慮結(jié)電容參數(shù)，如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)并聯(lián)使用，應(yīng)特別關(guān)注。高頻回路一般選擇電容量小的LCTVS管（如USB2.0口，要求結(jié)電容低于3pF），或者用一個(gè)TVS二極管與一個(gè)快恢復(fù)二極

9、管以背對背方式連接。 g) TVS二極管可在-55+150溫度范圍內(nèi)工作。由于其反向漏電流IR是隨溫度增加而增大、功耗隨TVS管結(jié)溫增加而下降，大約線性下降；擊穿電壓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。 h) 在規(guī)定的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，TVS二極管的最大峰值脈沖功率PPP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二極管的最大峰值脈沖功率是以10/1000s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。 i) TVS二極管應(yīng)用在繼電器、功率

10、開關(guān)或電機(jī)控制等場合下，需要承受有規(guī)律的、短暫的脈沖群沖擊，應(yīng)考慮這種沖擊對平均穩(wěn)態(tài)功率參數(shù)選擇的影響。 j) 不能通過并聯(lián)使用提高吸收功率。 k) 選用TVS二極管陣列不但可以大大節(jié)約PCB板的空間，而且可減少由于回路復(fù)雜而可能誘發(fā)的寄生性線路自感影響。 l) 當(dāng)TVS二極管用于高阻抗電路時(shí)，漏電流是一個(gè)重要的參數(shù)。3 TVS二極管在電路設(shè)計(jì)中的典型應(yīng)用 在實(shí)際應(yīng)用電路中，處理瞬時(shí)脈沖對器件損害的最好辦法，就是將瞬時(shí)電流從敏感器件引開。為達(dá)到這一目的，將TVS二極管在PCB上與被保護(hù)器件并聯(lián)。這樣，當(dāng)瞬時(shí)電壓超過電路正常工作電壓后，TVS二極管將發(fā)生雪崩擊穿，從而提供給瞬時(shí)電流一個(gè)超低阻抗的

11、通路，其結(jié)果是瞬時(shí)電流通過TVS二極管被引開，從而避開被保護(hù)器件，并且電壓恢復(fù)正常值之前使被保護(hù)回路一直保持截止電壓，在此之后，當(dāng)瞬時(shí)脈沖結(jié)束以后，TVS二極管在自動(dòng)恢復(fù)至高阻狀態(tài)，整個(gè)回路進(jìn)入正常電壓狀態(tài)。以下是TVS二極管在電路應(yīng)用中的幾個(gè)典型實(shí)例。3.1 TVS二極管在交流電路中的應(yīng)用 如圖1所示，這是一個(gè)雙向TVS二極管在交流電路中的應(yīng)用，可以有效地抑制電網(wǎng)帶來的過載脈沖，從而起到保護(hù)整流橋及負(fù)載中所有元器件的作用。 圖1 TVS二極管應(yīng)用于交流電路 如圖2所示，單向TVS二極管并聯(lián)于整流管旁側(cè)，以保護(hù)整流管不被瞬時(shí)脈沖擊穿。圖2 TVS二極管應(yīng)用于整流電路3.2 TVS二極管應(yīng)用于直

12、流穩(wěn)壓電源保護(hù) 圖3是一個(gè)直流穩(wěn)壓電壓，在其輸出端加上TVS二極管，可以保護(hù)使用該電源的儀器設(shè)備，同時(shí)還可以吸收電路中晶體管的集電極到發(fā)射極間的峰值電壓，從而保護(hù)晶體管。建議在每個(gè)穩(wěn)壓源的輸出端增加一個(gè)TVS二極管，這樣可以大幅度地提高整機(jī)的可靠性。圖3 TVS二極管應(yīng)用于直流穩(wěn)壓電源保護(hù)3.3 TVS二極管應(yīng)用于晶體管電路保護(hù) 各種瞬變電壓會(huì)使晶體管的EB結(jié)或CE結(jié)擊穿而損壞，當(dāng)晶體管集電極有感性(繼電器線圈、變壓器、電動(dòng)機(jī))負(fù)載時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生高壓反電勢，可能損壞晶體管。在實(shí)際應(yīng)用中，建議采用TVS二極管作為保護(hù)器件。圖4所示為TVS二極管應(yīng)用于晶體管電路的保護(hù)實(shí)例。圖4 TVS二極管用于晶

13、體管電路保護(hù)3.4 集成電路的保護(hù) 由于現(xiàn)代IC的集成度越來越高，而其耐壓則越來越低，因而很容易受到瞬變電壓的沖擊而損壞，故須采取保護(hù)措施。通常在CMOS電路的輸入端及輸出端都有保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，為了可靠起見，在各整機(jī)對外接口處也增加了各種保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。圖5中給出了用TVS二極管對CMOS器件進(jìn)行保護(hù)的有關(guān)電路措施。圖5 TVS二極管集成電路保護(hù)實(shí)例3.5 TVS二極管應(yīng)用于集成電路運(yùn)放保護(hù) 集成運(yùn)放對外界電應(yīng)力非常敏感，圖6所示是用TVS在運(yùn)放差模輸入端防止過壓損傷的保護(hù)電路。圖6 TVS二極管應(yīng)用于集成運(yùn)放保護(hù)3.6 TVS二極管應(yīng)用于通信端口保護(hù) 通信總線需要與外部很多設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，要增加浪涌防

14、護(hù)功能；如圖7所示，TVS二極管對管在RS-485收發(fā)器接口處實(shí)現(xiàn)共模浪涌防護(hù)功能。圖7 通信端口保護(hù)電路4 TVS二極管性能優(yōu)化4.1 器件擺放位置 TVS二極管在進(jìn)出PCB的I/O連接器上的數(shù)據(jù)和電源線上使用，器件盡量接近噪聲源，確保浪涌電壓可以在脈沖耦合到鄰近PCB導(dǎo)線之前被鉗位。另外，PCB應(yīng)使用較短的TVS二極管導(dǎo)線，減少浪涌能量的消耗。圖8提供了PCB布局建議的實(shí)例。圖8 TVS二極管器件放置示意圖4.2 環(huán)路區(qū) 將TVS二極管與被保護(hù)器件間的距離盡量加大可以提高防護(hù)效果，但卻可能增加環(huán)路區(qū)的面積大小，如圖9所示。應(yīng)根據(jù)應(yīng)用情況調(diào)整TVS二極管與被保護(hù)器件的距離。圖9 環(huán)路區(qū)域4.

15、3 走線方式 避免被保護(hù)回路和未實(shí)施保護(hù)的回路并聯(lián)，接口信號(hào)線路和接地線路應(yīng)先連接保護(hù)器件，然后再進(jìn)入回路的其它部分，如圖10所示。圖10 布線示意圖4.4 接地選擇 a) 原則上，保護(hù)器件應(yīng)和被保護(hù)器件接在同一個(gè)地上。泄放電流IL<100A的TVS二極管應(yīng)接信號(hào)地。 b) 如果信號(hào)輸入需要光耦隔離，則輸入信號(hào)應(yīng)先到TVS二極管再到光耦，TVS二極管接到隔離地上。 c) 如果使用變壓器隔離，則TVS二極管接到變壓器之后，TVS二極管接信號(hào)地。 d) 泄放電流IL>100A時(shí)，TVS二極管應(yīng)先接至保護(hù)地上，然后再接機(jī)殼地。4.5 TVS二極管應(yīng)放置于過流防護(hù)器件（如保險(xiǎn)管）之后。5 TVS二極管在使用中應(yīng)注意的事項(xiàng) a) 脈沖峰值功率與瞬變電壓脈沖寬度間的關(guān)系。器件手冊給的只是特定寬度下的脈沖峰值功率， 而實(shí)際電路設(shè)計(jì)中的脈沖寬度則變化莫測，事前要有估計(jì)。對寬脈沖應(yīng)降額使用，對小電流負(fù)載的保護(hù)，可在電路中增加限流電阻，即可實(shí)現(xiàn)選用脈沖峰值功率較小的TVS二極管對小電流負(fù)載電路進(jìn)行保護(hù)。 b) 降額使用。TVS二極管要注意環(huán)境溫度升高時(shí)的降額使用。特別要注意TVS二極管的引線長短， 以及它與被保護(hù)線路的相對距離。當(dāng)沒有合適電壓的TVS二極管供選用時(shí)，允許用多個(gè)TVS二極管串聯(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)。而脈沖峰值功率等于電流與串聯(lián)