TVS瞬態(tài)干擾抑制器性能與應(yīng)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(hào)，其特點(diǎn)是作用時(shí)間極短，但電壓幅度高、瞬態(tài)能量大。瞬態(tài)干擾會(huì)造成控制系統(tǒng)的電源電壓的波動(dòng)；當(dāng)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(nèi)部器件的極限電壓時(shí)，便會(huì)損壞控制系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)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(diǎn)象普通的穩(wěn)壓管，是箝位型的干擾吸收器件；其應(yīng)用是與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)使用。 硅瞬變電壓吸收二極管具有極快的響應(yīng)時(shí)間(亞納秒級(jí))和相當(dāng)高的浪涌吸收能力，及極多的電壓檔次?？捎糜诒Ｗo(hù)設(shè)備或電路免受靜電、電感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變電壓，以及感應(yīng)雷所產(chǎn)生的過電壓。 TVS管有單方向(單個(gè)二極管)和雙方向(兩個(gè)背對(duì)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(hù)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(dǎo)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(chǎn)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(hù)。
TVS的特性
TVS的電路符號(hào)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(jié)雪崩器件。圖2是TVS的電流-時(shí)間和電壓-時(shí)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(guān)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(dá)到峰值脈沖電流IPP，同時(shí)在其兩端的電壓被箝位到預(yù)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(fù)到初態(tài)，這就是TVS抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖功率，保護(hù)電子元器件的過程。當(dāng)TVS兩極受到反向高能量沖擊時(shí)，它能以10~12s級(jí)的速度，將其兩極間的阻抗由高變低，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電位箝位于預(yù)定值，有效地保護(hù)電子設(shè)備中的元器件免受浪涌脈沖的損害。TVS具有響應(yīng)時(shí)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(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于家用電器、電子儀表、通訊設(shè)備、電源、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域。
TVS的主要參數(shù)
?最大反向漏電流ID和額定反向關(guān)斷電壓VWM。VWM是TVS最大連續(xù)工作的直流或脈沖電壓，當(dāng)這個(gè)反向電壓加于TVS的兩極間時(shí)它處于反向關(guān)斷狀態(tài)，流過它的電流應(yīng)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(shí)，低于這個(gè)電壓TVS是不會(huì)發(fā)生雪崩的。當(dāng)TVS流過規(guī)定的1mA電流(IR)時(shí)，加于TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓VBR。按TVS的VBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度，可把VBR分為5％和10％兩種。對(duì)于5％的VBR來說，VWM=0.85VBR；對(duì)于10％的VBR來說，VWM=0.81VBR。

圖1 TVS電壓－電流特性

圖2 TVS電壓(電流)時(shí)間特性

?最大箝位電壓VC和最大峰值脈沖電流IPP。當(dāng)持續(xù)時(shí)間為20mS的脈沖峰值電流IPP流過TVS時(shí)，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(jié)截面決定的，是在特定的1MHz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，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(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)。而且，TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重復(fù)的，器件規(guī)定的脈沖重復(fù)頻率(持續(xù)時(shí)間與間歇時(shí)間之比)為0.01％。如果電路內(nèi)出現(xiàn)重復(fù)性脈沖，應(yīng)考慮脈沖功率的累積，有可能損壞TVS。
?箝位時(shí)間TC。TC是從零到最小擊穿電壓VBR的時(shí)間。對(duì)單極性TVS小于1×10-12s；對(duì)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(chǎn)品峰值功率可以達(dá)到400W、500W、600W、1500W和5000W。其中大功率的產(chǎn)品主要用在電源饋線上，低功率產(chǎn)品主要用在高密度安裝的場(chǎng)合。對(duì)于高密度安裝的場(chǎng)合還可以選擇雙列直插和表面貼裝的封裝形式。
4TVS的選用
?確定被保護(hù)電路的最大直流或連續(xù)工作電壓，電路的額定標(biāo)準(zhǔn)電壓和最大可承受電壓。
?TVS的額定反向關(guān)斷電壓VWM應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的最大工作電壓。若選用的VWM太低，器件可能進(jìn)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(yīng)小于被保護(hù)電路的損壞電壓。
?在規(guī)定的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)，TVS的最大峰值脈沖功率PM必須大于被保護(hù)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(yīng)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(fù)脈沖給出的，而實(shí)際的脈沖寬度是由脈沖源決定的，當(dāng)脈沖寬度不同時(shí)其峰值功率也不同。如某600WTVS，對(duì)1000ms脈寬最大吸收功率為600W，但是對(duì)50ms脈寬吸收功率就可達(dá)到2100W，而對(duì)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(guān)：如果是半個(gè)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(duì)于需要承受有規(guī)律的、短暫的脈沖群沖擊的TVS，如應(yīng)用在繼電器、功率開關(guān)或電機(jī)控制等場(chǎng)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(guān)電路中會(huì)產(chǎn)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(gè)脈沖的電壓箝位到11.2V。此中平均穩(wěn)態(tài)功率的計(jì)算為：脈沖時(shí)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(duì)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(duì)于數(shù)據(jù)接口電路的保護(hù)，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(jié)構(gòu)。交流電路選用雙極性TVS較為合理；多線保護(hù)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(gè)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(jié)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(guān)產(chǎn)品資料，考慮溫度變化對(duì)其特性的影響。
TVS管在使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)
對(duì)瞬變電壓的吸收功率(峰值)與瞬變電壓脈沖寬度間的關(guān)系。手冊(cè)給的只是特定脈寬下的吸收功率(峰值)，而實(shí)際線路中的脈沖寬度則變化莫測(cè)，事前要有估計(jì)。對(duì)寬脈沖應(yīng)降額使用。
對(duì)小電流負(fù)載的保護(hù)，可有意識(shí)地在線路中增加限流電阻，只要限流電阻的阻值適當(dāng)，不會(huì)影響線路的正常工作，但限流電阻對(duì)干擾所產(chǎn)生的電流卻會(huì)大大減小。這就有可能選用峰值功率較小的TVS管來對(duì)小電流負(fù)載線路進(jìn)行保護(hù)。
對(duì)重復(fù)出現(xiàn)的瞬變電壓的抑制，尤其值得注意的是TVS管的穩(wěn)態(tài)平均功率是否在安全范圍之內(nèi)。
降額使用
作為半導(dǎo)體器件的TVS管，要注意環(huán)境溫度升高時(shí)的降額使用問題。 特別要注意TVS管的引線長(zhǎng)短，以及它與被保護(hù)線路的相對(duì)距離。 當(dāng)沒有合適電壓的TVS管供采用時(shí)，允許用多個(gè)TVS管串聯(lián)使用。串聯(lián)管的最大電流決定于所采用管中電流吸收能力最小的一個(gè)。而峰值吸收功率等于這個(gè)電流與串聯(lián)管電壓之和的乘積。
TVS管的結(jié)電容是影響它在高速線路中使用的關(guān)鍵因素，在這種情況下，一般用一個(gè)TVS管與一個(gè)快恢復(fù)二極管以背對(duì)背的方式連接，由于快恢復(fù)二極管有較小的結(jié)電容，因而二者串聯(lián)的等效電容也較小，可滿足高頻使用的要求。

結(jié)語
各種電子系統(tǒng)及通信網(wǎng)絡(luò)等，經(jīng)常會(huì)受到外來的電磁干擾，這些干擾主要來自電源線路的暫態(tài)過程、雷擊閃電、以及宇宙射電等。這些干擾會(huì)使得系統(tǒng)動(dòng)作失誤甚至硬件損壞。對(duì)這些問題，要做好全面的預(yù)防保護(hù)措施，設(shè)計(jì)選用合適的硅瞬變吸收二極管是解決瞬態(tài)干擾的良好方案。但隨著電子工業(yè)界探索更多地提高效率和增加功能、集成度不斷提高的電子產(chǎn)品，設(shè)計(jì)提供完整的電路保護(hù)解決方案，將形成電路保護(hù)技術(shù)的又一次革命。

參考文獻(xiàn)
1 周志敏.雷電形成與建筑物整體防雷技術(shù).電氣世界，2002(3)
2 周志敏.浪涌電壓抑制器及應(yīng)用.電源技術(shù)應(yīng)用，2001(11)
3 王寧.瞬態(tài)電壓抑制器的應(yīng)用.電源技術(shù)，2001(5)

作者簡(jiǎn)介：周志敏，男，1985年畢業(yè)于哈爾濱建筑大學(xué)(現(xiàn)哈爾濱大學(xué))自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)為高級(jí)工程師，主要從事電力和自動(dòng)化系統(tǒng)抗干擾技術(shù)及管理工作。