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电磁兼容整改器件TVS如何选型

北京环境可靠性实验室 | 可靠性与电磁兼容检测报告 2022/09/20 14:38

TVS 即瞬态电压抑制器,又称雪崩击穿二极管, 大部分电子工程师基本都知道是用来端口防护的,防止端口瞬间的电压冲击造成后级电路的损坏。由于其在电路中的极其重要的地位, 但是,针对TVS的选型过程,很多厂家都是直接给推荐电路,直接告诉设计者答案选择哪个器件,却很少对选型过程提供理论计算,大部分的电子工程师针对TVS选型的时候,老人凭经验,新人凭参考 ,一旦更换厂家或者更换测试条件,就无从下手了。

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工作原理

TVS 它是采用半导体工艺制成的单个 PN 结或多个 PN 结集成的器件。TVS 有单向与双向之分,单向 TVS 一般应用于直流供电电路,双向 TVS 应用于电压交变的电路。如图 1 所示,应用于直流电路时单向 TVS 反向并联于电路中,当电路正常工作时,TVS 处于截止状态(高阻态),不影响电路正常工作。 当电路出现异常过电压并达到TVS(雪崩)击穿电压时,TVS 迅速由高电阻状态突变为低电阻状态,泄放由异常过电压导致的瞬时过电流到地,同时把异常过电压钳制在较低的水平,从而保护后级电路免遭异常过电压的损坏。 当异常过电压消失后,TVS 阻值又恢复为高阻态。

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图1 :TVS工作原理

关键参数

工欲善其事,必先利其器,要用好TVS,必须先了解其关键的参数。

(1) Vrwm截止电压:

TVS 的最高工作电压, 可连续施加而不引起 TVS 劣化或损坏的最高工作峰值电压或直流峰值电压。 对于交流电压,用最高工作电压有效值表示,在 V RWM 下,TVS 认为是不工作的,即是不导通的。换一句话,电路的最高工作电压必须小于Vrwm,否则将会导致TVS动作导致电路异常。

(2) I R 漏电流:

漏电流,也称待机电流。 在规定温度和最高工作电压条件下,流过 TVS 的最大电流。T VS 的漏电流一般是在截止电压下测量,对于某一型号 TVS, I R 应在规定值范围内。对 TVS 两端施加电压值为 V RWM ,从电流表中读出的电流值即为 TVS的漏电流 I R 。对于同功率和同电压的 TVS,在 V RWM ≤10V 时,双向 TVS 漏电流是单向 TVS 漏电流的 2 倍。对于一些模拟端口,漏电流会影响AD的采样值,所以TVS的漏电流越小越好。

(3) VBR 击穿电压

击穿电压,指在 V-I 特性曲线上,在规定的脉冲直流电流 I T 或接近发生雪崩的电流条件下测得 TVS 两端的电压。测试的电流It一般选取10mA左右,施加的电流的时间不应超过400ms,以免损坏器件,VBR MIN 和 VBR MAX 是 TVS 击穿电压的一个偏差,一般 TVS 为±5%的偏差。测量时,V BR 落在 V BR MIN .和 V BR MAX .之间视为合格品。

(4) I PP 峰值脉冲电流 ,V C 钳位电压

峰值脉冲电流,给定脉冲电流波形的峰值。TVS 一般选用 10/1000μs 电流波形。钳位电压,施加规定波形的峰值脉冲电流 I PP 时,TVS 两端测得的峰值电压。I PP 及 V C 是衡量 TVS 在电路保护中抵抗浪涌脉冲电流及限制电压能力的参数,这两个参数是相互联系的。对于 TVS 在防雷保护电路中的钳位特性,可以参考 V C 这个参数。对于相同型号 TVS,在相同 I PP 下的V C 越小,说明 TVS 的钳位特性越好。TVS 的耐脉冲电流冲击能力可以参考 I PP ,同型号的 TVS,I PP 越大,耐脉冲电流冲击能力越强。

(5) 结电容CI,漏电流Ir

结电容是TVS中的寄生电容,在高速IO端口保护需要重点关注, 过大的结电容可能会影响信号的质量。 漏电流主要带来了功率的损耗, 或者是在模拟信号中,会影响AD信号的采样值。

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 图2 :厂家一般都是提供10/1000μs的测试波形

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 图3 :TVS的关键参数

选型过程

了解了TVS的基本参数,我们就开始进入最重要的TVS选型的过程了。 选择TVS之前,我们首先要明白选择的终极 目标:

1.电压合适能保护后级电路;

2.引入的TVS的结电容不能影响电路;

3.TVS功率余量充足,满足测试标准,且不能比保险管先挂。

选型的过程可以按照以下的步骤进行:

1.选择TVS最高工作电压Vrmw;

2. 选择TVS钳位电压VC;

3.选择TVS的功率;

4.评估漏电流Ir的影响;

5.评估结电容的影响;

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