瞬態(tài)抑制器的性能與應用

瞬態(tài)干擾

　　瞬態(tài)干擾指交流電網(wǎng)上出現(xiàn)的浪涌電壓、振鈴電壓、火花放電等瞬間干擾信號，其特點是作用時間極短，但電壓幅度高、瞬態(tài)能量大。瞬態(tài)干擾會造成控制系統(tǒng)的電源電壓的波動;當瞬態(tài)電壓疊加在控制系統(tǒng)的輸入電壓上，使輸入控制系統(tǒng)的電壓超過系統(tǒng)內部器件的極限電壓時，便會損壞控制系統(tǒng)內部的設備，因此必須采用抑制措施。

　　硅瞬變吸收二極管

　　硅瞬變吸收二極管的工作有點象普通的穩(wěn)壓管，是箝位型的干擾吸收器件;其應用是與被保護設備并聯(lián)使用。 硅瞬變電壓吸收二極管具有極快的響應時間(亞納秒級)和相當高的浪涌吸收能力，及極多的電壓檔次?？捎糜诒Ｗo設備或電路免受靜電、電感性負載切換時產生的瞬變電壓，以及感應雷所產生的過電壓。

　　TVS管有單方向(單個二極管)和雙方向(兩個背對背連接的二極管)兩種，它們的主要參數(shù)是擊穿電壓、漏電流和電容。使用中TVS管的擊穿電壓要比被保護電路工作電壓高10%左右，以防止因線路工作電壓接近TVS擊穿電壓，使TVS漏電流影響電路正常工作;也避免因環(huán)境溫度變化導致TVS管擊穿電壓落
入線路正常工作電壓的范圍。

　　TVS管有多種封裝形式，如軸向引線產品可用在電源饋線上;雙列直插的和表面貼裝的適合于在印刷板上作為邏輯電路、I/O總線及數(shù)據(jù)總線的保護。

　　TVS的特性

　　TVS的電路符號和普通的穩(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結雪崩器件。圖2是TVS的電流-時間和電壓-時間曲線。在浪涌電壓的作用下，TVS兩極間的電壓由額定反向關斷電壓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TVS的電流將達到峰值脈沖電流IPP，同時在其兩端的電壓被箝位到預定的最大箝位電壓VC以下。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，最后恢復到初態(tài)，這就是TVS抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖功率，保護電子元器件的過程。當TVS兩極受到反向高能量沖擊時，它能以10~12s級的速度，將其兩極間的阻抗由高變低，吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電位箝位于預定值，有效地保護電子設備中的元器件免受浪涌脈沖的損害。TVS具有響應時間快、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，目前已廣泛應用于家用電器、電子儀表、通訊設備、電源、計算機系統(tǒng)等各個領域。

　　TVS的主要參數(shù)

　　最大反向漏電流ID和額定反向關斷電壓VWM。VWM是TVS最大連續(xù)工作的直流或脈沖電壓，當這個反向電壓加于TVS的兩極間時它處于反向關斷狀態(tài)，流過它的電流應小于或等于其最大反向漏電流ID。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，低于這個電壓TVS是不會發(fā)生雪崩的。當TVS流過規(guī)定的1mA電流(IR)時，加于TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓VBR。按TVS的VBR與標準值的離散程度，可把VBR分為5%和10%兩種。對于5%的VBR來說，VWM=0.85VBR;對于10%的VBR來說，VWM=0.81VBR。

　　最大箝位電壓VC和最大峰值脈沖電流IPP。當持續(xù)時間為20mS的脈沖峰值電流IPP流過TVS時，在其兩端出現(xiàn)的最大峰值電壓為VC。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC與VBR之比稱為箝位因子，一般在1.2~1.4之間。

　　電容量C。電容量C是由TVS雪崩結截面決定的，是在特定的1MHz頻率下測得的。C的大小與TVS的電流承受能力成正比，C太大將使信號衰減。因此，C是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS的重要參數(shù)。

　　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)時間和環(huán)境溫度有關。而且，TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重復的，器件規(guī)定的脈沖重復頻率(持續(xù)時間與間歇時間之比)為0.01%。如果電路內出現(xiàn)重復性脈沖，應考慮脈沖功率的累積，有可能損壞TVS。

　　箝位時間TC。TC是從零到最小擊穿電壓VBR的時間。對單極性TVS小于1×10-12s;對雙極性TVS小于10×10-12s。

　　TVS的分類

　　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;按封裝和內部結構可分為：軸向引線二極管、雙列直插TVS陣列、貼片式和大功率模塊等。軸向引線的產品峰值功率可以達到400W、500W、600W、1500W和5000W。其中大功率的產品主要用在電源饋線上，低功率產品主要用在高密度安裝的場合。對于高密度安裝的場合還可以選擇雙列直插和表面貼裝的封裝形式。

　　TVS的選用

　　確定被保護電路的最大直流或連續(xù)工作電壓，電路的額定標準電壓和最大可承受電壓。

　　TVS的額定反向關斷電壓VWM應大于或等于被保護電路的最大工作電壓。若選用的VWM太低，器件可能進入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。

　　TVS的最大反向箝位電壓VC應小于被保護電路的損壞電壓。

　　在規(guī)定的脈沖持續(xù)時間內，TVS的最大峰值脈沖功率PM必須大于被保護電路可能出現(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的非重復脈沖給出的，而實際的脈沖寬度是由脈沖源決定的，當脈沖寬度不同時其峰值功率也不同。如某600WTVS，對1000ms脈寬最大吸收功率為600W，但是對50ms脈寬吸收功率就可達到2100W，而對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：如果是半個正弦波形式的脈沖，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%。

　　平均穩(wěn)態(tài)功率的匹配對于需要承受有規(guī)律的、短暫的脈沖群沖擊的TVS，如應用在繼電器、功率開關或電機控制等場合，有必要引入平均穩(wěn)態(tài)功率的概念。舉例說明，在一功率開關電路中會產生120Hz，寬度為4ms，峰值電流為25A的脈沖群。選用的TVS可以將單個脈沖的電壓箝位到11.2V。此中平均穩(wěn)態(tài)功率的計算為：脈沖時間間隔等于頻率的倒數(shù)1/120=0.0083s，峰值吸收功率是箝位電壓與脈沖電流的乘積11.2V×25A=280W，平均功率則為峰值功率與脈沖寬度對脈沖間隔比值的乘積，即　280×(0.000004S/0.0083S)=0.134W。也就是說，選用的TVS平均穩(wěn)態(tài)功率必須大于0.134W。

　　對于數(shù)據(jù)接口電路的保護，還必須注意選取具有合適電容C的TVS器件。

　　根據(jù)用途選用TVS的極性及封裝結構。交流電路選用雙極性TVS較為合理;多線保護選用TVS陣列更為有利。

　　溫度考慮瞬態(tài)電壓抑制器可以在-55℃~+150℃之間工作。如果需要TVS在一個變化的溫度下工作，由于其反向漏電流ID是隨溫度增加而增大;功耗隨TVS結溫增加而下降，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，必須查閱有關產品資料，考慮溫度變化對其特性的影響。