基于TVS 器件特性參數(shù)及應(yīng)用的探究

鑒于此本文通過分析TVS器件的特性和主要參數(shù)及其工作原理，提出了TVS可以有效的保護(hù)TN電源系統(tǒng)、直流電源、信號線路及晶體管集成電路等，其應(yīng)用范圍廣，且安全可靠，同時給出了TVS器件在各種電路設(shè)計中的典型應(yīng)用保護(hù)電路。應(yīng)用時應(yīng)當(dāng)針對不同的保護(hù)對象及電路的相關(guān)參數(shù)來選用適配元件。

0 引言

電網(wǎng)中的工頻過電壓、諧振過電壓及瞬態(tài)過電壓，包括操作過電壓和雷電過電壓，這些危險浪涌能量無法瀉放或吸收，而侵入電氣設(shè)備內(nèi)部電路，就能影響電子設(shè)備的正常工作，甚至?xí)龤щ娐?而集成數(shù)字電路容易受ESD/EFT(靜電放電/電快速瞬變脈沖群)等浪涌電壓干擾，可能會造成工作異常、死機(jī)，甚至損壞并引發(fā)其他的安全問題。利用TVS器件對電路進(jìn)行精細(xì)保護(hù)，可有效地使電子線路中的精密元器件免受各種浪涌脈沖的損壞。本文對TVS器件的特性及應(yīng)用作詳細(xì)分析與研究有重要意義。

1 TVS 的結(jié)構(gòu)及分類

TVS 瞬態(tài)電壓抑制器是在穩(wěn)壓二極管的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，是一種二極管形式的新型高效能保護(hù)器件。

TVS通常采用二極管式的軸向引線封裝結(jié)構(gòu)，TVS的核心單元是芯片，芯片主要材料為半導(dǎo)體硅片或曬片，芯片有單極型和雙極型兩種結(jié)構(gòu)，單極型TVS有一個PN結(jié)，雙極型TVS有兩個PN結(jié)。TVS芯片的PN結(jié)經(jīng)玻璃純化保護(hù)由引線引出，再經(jīng)改性環(huán)氧樹脂封裝制成。

TVS瞬態(tài)電壓抑制器有單極性與雙極性之分，單極性只對一個方向的浪涌電壓沖擊起保護(hù)作用，雙極性瞬態(tài)二極管對相反的極性浪涌電壓沖擊都起保護(hù)作用，相當(dāng)于兩只穩(wěn)壓管反向串聯(lián)，它優(yōu)點(diǎn)是結(jié)電容小，響應(yīng)時間短，功率大。單向TVS多用于直流和已知方向的信號電路，雙極性TVS 多用于交流和變化的信號電路，TVS陣列多用于多線保護(hù)。TVS管也可以與二極管串聯(lián)，利用二極管寄生電容較小的特點(diǎn)來降低總寄生電容，可以實(shí)現(xiàn)對高速信號端口的保護(hù)。TVS串行接入電路可以分電壓，并行接入可以分電流，但在應(yīng)用中應(yīng)控制串/并數(shù)量，TVS在應(yīng)用過程中必須考慮環(huán)境溫度及溫度變化情況對TVS特性的影響，因?yàn)闇囟壬仙龝筎VS反向漏電流增加，功耗下降。另外，TVS按峰值功率可分為500 W,1 000 W,1 500 W,5 000 W等多種型號。

2 TVS 的主要參數(shù)及選用

2.1 最小擊穿電壓VBR

最小擊穿電壓VBR 等于1 mA 的測試電流通過TVS時，TVS 兩極的電壓值。VBR 根據(jù)其與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度分為兩種：VBR(5%)與VBR(10%)。

2.2 額定反向工作電壓VWM

TVS反向工作時，在規(guī)定的IR條件下，TVS兩極的電壓值稱為額定反向工作電壓VWM.一般情況，VWM=(0.8~0.9)VBR,離散度為5%的TVS,VWM=0.85VBR(5%);離散度為10%的TVS,VWM=0.81VBR(10%)。VWM值的選擇要適中，VWM值既要大于等于US(最大持續(xù)工作電壓)，又要與US值相接近，選擇太大或太小都不能安全可靠保護(hù)電路。

2.3 最大反向脈沖峰值電流IPP

TVS 反向工作時，在規(guī)定的脈沖條件下，TVS 允許通過的最大峰值脈沖電流稱為最大反向脈沖峰值電流，峰值脈沖電流IPP應(yīng)大于電路瞬態(tài)浪涌電流。

2.4 最大鉗位電壓VC

當(dāng)脈沖峰值電流IPP流過TVS時，其兩極的最大峰值電壓為最大鉗位電壓。VC為TVS的電壓保護(hù)水平，是選用TVS 十分關(guān)鍵的參數(shù)，應(yīng)小于被保護(hù)電路耐壓水平UW,否則TVS 將失去保護(hù)作用。TVS 鉗位系數(shù)等于VC VBR ,鉗位系數(shù)取值一般在1.2~1.4范圍內(nèi)。

2.5 峰值脈沖功率Ppp

峰值脈沖功率等于TVS允許通過的最大峰值脈沖電流IPP 與最大箝位電壓VC 的乘積。Ppp 值與脈沖波形、脈沖時間及環(huán)境溫度有關(guān)。在應(yīng)用中要根據(jù)電路的特性和工作環(huán)境確定電路預(yù)期瞬態(tài)浪涌電流及可能出現(xiàn)的瞬態(tài)浪涌脈沖功率，峰值脈沖功率Ppp 應(yīng)考慮20%的安全裕量，據(jù)此確定TVS額定脈沖功率Pppm.額定脈沖功率應(yīng)大于被保護(hù)器件或線路可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。同時，電路設(shè)計必須認(rèn)真考慮重復(fù)施加脈沖能量的累積，其能量不應(yīng)超過TVS器件的脈沖能量額定值。

2.6 電容C

TVS的電容量由其芯片的面積和偏置電壓來確定，其偏置電壓與電容值C 成反比。在應(yīng)用中要根據(jù)電路持性選擇合適的電容范圍，電容大會使信號損失，對信號起調(diào)制作用，引起干擾。

2.7 反向漏電流ID

當(dāng)額定反向工作電壓VWM 加于TVS兩極時，TVS處于反向關(guān)斷狀態(tài)，流過TVS 的電流稱為反向漏電流，ID值應(yīng)小于或等于其最大反向漏電流。

2.8 鉗位響應(yīng)時間TC

鉗位響應(yīng)時間是指TVS兩極電壓從零升至最小擊穿電壓VBR的時間，TVS的TC小于1×10-12 s,僅為1 ps.

3 TVS 的特性分析

3.1 TVS的伏安特性

TVS能保護(hù)晶體管電路，是靠伏安特性起箝位作用，見圖1.當(dāng)TVS管電壓為反偏，且位于0~VBR時，TVS管呈高電阻狀態(tài);當(dāng)反偏電壓超過VBR時，流經(jīng)TVS管電流迅速增加，進(jìn)入低電阻導(dǎo)通狀態(tài)，從高電阻狀態(tài)到低電阻狀態(tài)延時只有ps數(shù)量級。TVS管兩端電壓被箝制在VC以下，經(jīng)過電壓脈沖過后，TVS管又恢復(fù)高阻狀態(tài)。

3.2 TVS的鉗位特性

TVS屬限壓型浪涌保護(hù)器件，能對過電壓起鉗位作用，將浪涌電壓限制在安全耐壓范圍內(nèi)，從而保護(hù)后面的負(fù)載電路。根據(jù)電路的基本理論，按照環(huán)路電壓分析法，從圖2可以看出，電路的輸出電壓Voutput可由式(1)得到：

若設(shè)浪涌電壓Vg為8 kV,Rg為330 Ω，RS為0.14 Ω，TVS的VBR為6 V,則i≈24 A,那么由式(1)得Voutput=10 V.

利用TVS的鉗位特性，將8 kV危險浪涌電壓削減到10 V的安全電壓。需要注意的是，以上電路應(yīng)滿足Rg>RS+RLoad>RS這一條件。

4 TVS 的應(yīng)用

4.1 TVS在TN電源系統(tǒng)的應(yīng)用

雷電過電壓波、負(fù)載開關(guān)等人為操作錯誤引起的過電壓容易通過供電線路侵入電氣電子設(shè)備內(nèi)部，造成電氣電子設(shè)備失效、誤動作，甚至造成設(shè)備的永久性損壞，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。通過在電源線路上安裝浪涌吸收裝置MOV 和TVS,實(shí)施兩級保護(hù)，并對L、N 線進(jìn)行共模、差模保護(hù)。具體做法是在線路的前端安裝MOV 作為第一級SPD保護(hù)，泄放大部分雷電流，在線路的末端(設(shè)備前端)安裝大功率TVS作為第二級SPD保護(hù)，進(jìn)一步削弱過電壓波幅值，將電網(wǎng)電壓降至E/I安全耐壓范圍之內(nèi)，如圖3所示。要注意的是，MOV與TVS應(yīng)達(dá)到電壓和能量的協(xié)調(diào)與配合，AB之間的線路長度不應(yīng)小于5 m,否則應(yīng)增加線路長度或安裝退耦器件。

4.2 TVS在網(wǎng)絡(luò)信號線路的應(yīng)用

TVS不僅可以用于電源系統(tǒng)的浪涌防護(hù)，還可以用于信號線路的浪涌保護(hù)，采用氣體放電管GDT 與TVS管組合成信號浪涌保護(hù)器，其特點(diǎn)是反應(yīng)快，漏流小，幾乎對信號無損耗，可以對高速網(wǎng)絡(luò)線路提供安全、可靠的保護(hù)，如圖4所示。