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一文精通TVS计算及选型

2020-11-20 13:46| 查看: 30| 评论: 0

摘要: 提到TVS,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 ...
提到TVS,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,本文就专门解决该问题,让新人老人对TVS选型都能得心应手。


01

TVS工作原理
TVS(Transient Voltage Suppressors),即瞬态电压抑制器,又称雪崩击穿二极管。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。
图1 :TVS工作原理



02

TVS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。TVS 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) V BR 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,V BR MIN .和 V BR 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。
图2,厂家一般都是提供10/1000μs的测试波形

图3 :TVS的关键参数



03

TVS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;

选择TVS最高工作电压Vrmw;
在电路正常工作情况下,TVS 应该是不工作的,即处于截止状态,所以 TVS 的截止电压应大于被保护电路的最高工作电压。这样才能保证 TVS 在电路正常工作下不会影响电路工作。但是 TVS 的工作电压高低也决定了 TVS 钳位电压的高低,在截止电压大于线路正常工作电压的情况下,TVS 工作电压也不能选取的过高,如果太高,钳位电压也会较高,所以在选择 Vrwm 时,要综合考虑被保护电路的工作电压及后级电路的承受能力。要求Vrwm要大于工作电压,否则工作电压大于Vrwm会导致TVS反向漏电流增大,接近导通,或者雪崩击穿,影响正常电路工作。综合考虑,Vrwm可以参考以下的公式:
Vrwm≈1.1~1.2*VCC ;--------其中VCC为电路的最高工作电压。
选择选择TVS钳位电压VC;
TVS 钳位电压应小于后级被保护电路最大可承受的瞬态安全电压,VC 与 TVS 的雪崩击穿电压及 I PP 都成正比。对于同一功率等级的 TVS,其击穿电压越高 V C 也越高,所选TVS的最大箝位电压Vc不能大于被防护电路可以承受的最大电压。否则,当TVS钳在Vc时会对电路造成损坏。Vc可以参考以下的公式:
VC<Vmax ;-----其中Vmax为电路能承受的最高电压.
选择TVS的功率Pppm(或者Ipp);
TVS 产品的额定瞬态功率应大于电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率,理论上,TVS的功率越大越好,能够承受更多的冲击能量和次数,但是功率越高,TVS的封装越大,价钱也越高,所以,TVS的功率满足要求即可。对于不同功率等级的 TVS,相同电压规格的 TVS 其 V C 值是一样的,只是 I PP 不同。故 Pppm 与 Ippm成正比,Ippm 越大,Pppm 也越大。
对于某一电路 ,有对应的测试要求,设实际电路中的最大测试电流为 Iactual ,则 Iactual 可估算为:
Iactual=Uactual/Ri;---------其中 Uactual 为测试电压,Ri为测试内阻。
TVS 要通过测试,故实际电路中要求 10/1000μs 波形下 TVS 的最小功率 P actual 为:-------其中di/dt为波形转换系数,如实际测试波形为其他波形,如 8/20μs波形,建议di/dt取,如测试波形为 10/1000μs,取,实际选型中,TVS 应留有一定的裕量,TVS 的功率PPMP 选择应遵循Pppm>Pactual。
根据所选的TVS的结电容和漏电流评估影响
如果TVS 用在高速IO端口防护、模拟信号采样、低功耗设备场合,就需要考虑结电容和漏电流的影响,两则的参数越小越好。


04

TVS选型距离
数据都是无趣的,我们以实际的案例举例。
电路的正常工作电压VCC是24V,最高工作电压Vmax是26V,后级电路可承受的最高瞬态电压为50V,实验的测试波形为 8/20μs波形,测试电压500V,测试电源内阻及PPTC的静态电阻合计为2Ω。根据上述信息选择合适的TVS。
图4 :设计举例


1) 选择TVS最高工作电压
Vrmw≈1.1~1.2*VCC=26~28V

2) 选择选择TVS钳位电压
VC<Vmax=50V

3) 计算实际测试波形功率:
Pact=Vc**=50*(500/3)*1/2=4166W

根据计算结果,可以选用5.0SMDJ26A这个TVS,由于这个TVS用在电源端口,结电容和漏电流基本可以忽略不计。






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