TVS及其在電路設(shè)計(jì)詳解

瞬態(tài)電壓抑制器是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件，具有極快的響應(yīng)時(shí)間和相當(dāng)高的浪涌吸收能力。當(dāng)TVS的兩端受到反向瞬態(tài)過(guò)壓脈沖時(shí)，能以極高的速度把兩端間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，以吸收瞬間大電流，并將電壓箝制在預(yù)定數(shù)值，從而有效保護(hù)電路中的元器件免受損壞。本文講述了TVS器件的主要特性參數(shù)和選用注意事項(xiàng)，同時(shí)給出了TVS在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法。

　　1 TVS器件的特性及主要參數(shù)

　　1.1 TVS的器件特性

　　在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下，TVS對(duì)受保護(hù)的線路呈高阻抗?fàn)顟B(tài)。當(dāng)瞬間電壓超過(guò)其擊穿電壓時(shí)，TVS就會(huì)提供一個(gè)低阻抗的路徑，并通過(guò)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的箝制電壓。當(dāng)過(guò)壓條件消失后，TVS又恢復(fù)到高阻抗?fàn)顟B(tài)。與陶瓷電容相比，TVS可以承受15 kV的電壓，但陶瓷電容對(duì)高壓的承受能力比較弱。5 kV的沖擊就會(huì)造成約10％陶瓷電容失效，而到10 kV時(shí)，其損壞率將高達(dá)到60％。

　　1.2 TVS器件的主要參數(shù)

　?。?）最小擊穿電壓VBR

　　當(dāng)TVS流過(guò)規(guī)定的電流時(shí)，TVS兩端的電壓稱為最小擊穿電壓，在此區(qū)域，TVS呈低阻抗的通路。在25℃時(shí)，低于這個(gè)電壓，TVS是不會(huì)發(fā)生雪崩擊穿的。

　?。?）額定反向關(guān)斷電壓VWM

　　VWM是TVS在正常狀態(tài)時(shí)可承受的電壓，此電壓應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的正常工作電壓。但它又需要盡量與被保護(hù)電路的正常工作電壓接近，這樣才不會(huì)在TVS工作以前使整個(gè)電路面對(duì)過(guò)壓威脅。按TVS的VBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散度，可把VBR分為5％和10％兩種，對(duì)于5％的VBR來(lái)說(shuō)，VWM=0.85VBR腿；而對(duì)于10％的VBR來(lái)說(shuō)，VWM=0.81VBR。

　　（3）最大峰值脈沖電流IPP

　　Ipp是TVS在反向狀態(tài)工作時(shí)，在規(guī)定的脈沖條件下，器件允許通過(guò)的最大脈沖峰值電流。

　?。?）箝位電壓Vc

　　當(dāng)脈沖峰值電流Ipp流過(guò)TVS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1.2～1.4之間。實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)使Vc不大于被保護(hù)電路的最大允許安全電壓，否則被保護(hù)器件將面臨被損壞的可能。

　　（5）最大峰值脈沖功耗PM

　　PM通常是最大峰值脈沖電流Ipp與箝位電壓Vc的乘積，也就是最大峰值脈沖功耗。它是TVS能承受的最大峰值脈沖功耗值。在給定的最大鉗位電壓下，功耗PM越大，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、脈沖持續(xù)時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)。而且，TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不可重復(fù)施加的。

　　（6）電容量C

　　TVS的電容是由其硅片的截面積和偏置電壓來(lái)決定的，它是在1 MHz特定頻率下測(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，電容C是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS的重要參數(shù)。

　?。?）漏電流IR

　　IR是最大反向工作電壓施加到TVS上時(shí)，TVS管的漏電流。當(dāng)TVS用于高阻抗電路時(shí)，這個(gè)漏電流IR一個(gè)重要參數(shù)。

2選用TVS的注意事項(xiàng)

　　在選用TVS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：

　　首先，由于雙向TVS可以在正反兩個(gè)方向吸收瞬時(shí)大脈沖功率，并把電壓箝制到預(yù)定水平。因此，若電路有可能承受來(lái)自兩個(gè)方向的浪涌電壓沖擊時(shí)，應(yīng)當(dāng)選用雙向TVS。雙向TVS一般適用于交流電路，單向TVS一般用于直流電路。另外，箝位電壓Vc不大于被保護(hù)電路的最大允許安全電壓。

　　其次，就是最大峰值脈沖功耗PM必須大于電路中出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率。但是，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，浪涌有可能重復(fù)地出現(xiàn)，在這種情況下，即使單個(gè)的脈沖能量比TVS器件可承受的脈沖能量要小得多，但是，如果重復(fù)施加，這些單個(gè)的脈沖能量積累起來(lái)，也可能在某些情況下超過(guò)TVS器件所能承受的脈沖能量。因此，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，必須在這點(diǎn)上認(rèn)真考慮并選用合適的TVS器件，以使其在規(guī)定的間隔時(shí)間內(nèi)，重復(fù)施加脈沖能量的累積不至于超過(guò)TVS器件的脈沖能量額定值。

　　第三，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)最大反向工作電壓必須有正確的選取，一般原則是以交流電壓的1.4倍來(lái)選取TVS管的最大反向工作電壓。直流電壓則按1.1～1.2倍來(lái)選取TVS管的最高反向工作電壓。

　　3 TVS在電路設(shè)計(jì)中的典型應(yīng)用

　　在實(shí)際的應(yīng)用電路中，處理瞬時(shí)脈沖對(duì)器件損害的最好辦法，就是將瞬時(shí)電流從敏感器件引開(kāi)。為達(dá)到這一目的，將TVS在線路板上與被保護(hù)線路并聯(lián)。這樣，當(dāng)瞬時(shí)電壓超過(guò)電路正常工作電壓后，TNS將發(fā)生雪崩擊穿，從而提供給瞬時(shí)電流一個(gè)超低阻抗的通路，其結(jié)果是瞬時(shí)電流通過(guò)TVS被引開(kāi)，從而避開(kāi)被保護(hù)器件，并且在電壓恢復(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二極管再自動(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在電路應(yīng)用中的幾個(gè)典型實(shí)例。

　　3.1 TVS在交流電路中的應(yīng)用

　　圖1所示是一個(gè)雙向TVS在交流電路中的應(yīng)用電路。應(yīng)用TVS可以有效地抑制電網(wǎng)帶來(lái)的過(guò)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中的TVS箝位電壓應(yīng)不大于電路的最大允許電壓。

　　3.2用TVS保護(hù)直流穩(wěn)壓電源

　　圖2是一個(gè)直流穩(wěn)壓電源，在其穩(wěn)壓輸出端加上TVS，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管，這樣可以大幅度地提高整機(jī)的可靠性。

　　3.3用TVS保護(hù)晶體管電路

　　各種瞬變電壓能使晶體管的EB結(jié)或CE結(jié)擊穿而損壞，特別是晶體管集電極有感性（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(shì)，因而可能使晶體管損壞。在實(shí)際應(yīng)用中，建議采用TVS作為保護(hù)器件。圖3所示為T(mén)VS保護(hù)晶體管的四種電路實(shí)例。

3.4集成電路的保護(hù)

　　由于現(xiàn)代IC的集成度越來(lái)越高，而其耐壓則越來(lái)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)路，為了可靠起見(jiàn)，在各整機(jī)對(duì)外接口處也增加了各種保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。圖4給出了用TVS對(duì)TTL及CMOS器件進(jìn)行保護(hù)的有關(guān)電路措施。

　　3.5用TVS保護(hù)集成運(yùn)放

　　集成運(yùn)放對(duì)外界電應(yīng)力非常敏感。因此，在使用運(yùn)放的過(guò)程中，如果因操作失誤或采取了不正常的工作條件，往往會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的電壓或電流，特別是浪涌和靜電脈沖，從而很容易使運(yùn)放受損或失效。圖5所示是用TVS在運(yùn)放差模輸入端防止過(guò)壓損傷的保護(hù)電路。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　本文主要講述了TVS器件的特性和主要參數(shù)，以及選用器件時(shí)的注意事項(xiàng)，同時(shí)給出了器件在電路設(shè)計(jì)中的典型應(yīng)用電路，以便加深電路設(shè)計(jì)人員對(duì)TVS的認(rèn)識(shí)，為設(shè)計(jì)出高可靠性的應(yīng)用電路提供基礎(chǔ)。雖然目前的TVS在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用正處于推廣階段，但我們有理由相信，隨著越來(lái)越多的設(shè)計(jì)者對(duì)TVS的認(rèn)識(shí)不斷加深以及TVS所表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)異性能，TVS器件最終將獲得極為廣泛的應(yīng)用。