一文看懂TVS的電路保護機制

電壓及電流的瞬態幹擾是造成電子電路及設備損壞的主要原因，常給人們帶來無法估量的損失。這些幹擾通常來自於電力設備起停操作、交流電網波動、雷電幹擾及靜電放電等。瞬態幹擾幾乎無處不在、無時不有，讓人防不勝防。幸好，一種高效能的電路保護器件TVS的出現使瞬態幹擾得到了有效抑制。

TVS（Transient Voltage Suppressor）或稱瞬變電壓抑制二極體，是在穩壓管工藝基礎上發展起來的一種新產品，其電路符號和普通穩壓二極體相同，外形也與普通二極體無異。當TVS管兩端經受瞬間高能量衝擊時，它能以極高的速度（最高達1*10^-12秒）使其阻抗驟然降低，同時吸收一個大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個預定的數值上，從而確保後面的電路元件免受瞬態高能量的衝擊而損壞。

圖1：TVS特性曲線

TVS的特性

如果用圖示儀觀察TVS的特性，就可得到圖1中左圖所示的波形。如果單就這個曲線來看，TVS管和普通穩壓管的擊穿特性基本一致，為典型PN結的雪崩器件。

但這條曲線只反映了TVS特性的一個部分，還必須補充圖1右邊所示的特性曲線，才能反映TVS的全部特性。這是在雙蹤示波器上觀察到的TVS管承受大電流衝擊時的電流及電壓波形。

圖1中曲線1是TVS管中的電流波形，它表示流過TVS管的電流由1mA突然上升到峰值，然後按指數規律下降，造成這種電流衝擊的原因可能是雷擊或過壓等過猛的衝擊因素。

曲線2是TVS管兩端電壓的波形，它表示TVS中的電流突然上升時，TVS兩端電壓也隨之上升，但最大隻上升到V_C值，這個值比擊穿電壓V_BR略大，從而對後面的電路元件起到保護作用。

TVS的參數

圖2：TVS特性及參數

A：擊穿電壓（V_BR）：TVS在此時阻抗驟然降低，處於雪崩擊穿狀態。

B：測試電流（I_T）：TVS的擊穿電壓V_BR在此電流下測量而得。一般情況下I_T取1MA。

C：反向變位電壓（V_RWM）：TVS的最大額定直流工作電壓，當TVS兩端電壓繼續上升，TVS將處於高阻狀態。

D：最大反向漏電流（I_R）：在工作電壓下測得的流過TVS的最大電流。

E：最大峰值脈衝電流（I_PP）：TVS允許流過的最大浪湧電流，它反映了TVS的浪湧抑制能力。

F：最大箝位電壓（V_C）：當TVS管承受瞬態高能量衝擊時，該管中流過大電流，峰值為I_PP，端電壓由V_RWM值上升到V_C值就不再上升，從而實現保護作用。浪湧過後，I_PP隨時間以指數形式衰減，當衰減到一定值後，TVS兩端電壓由V_C開始下降，恢復原來狀態。最大箝位電壓V_C與擊穿電壓V_BR之比稱為箝位因子C_f，表示為C_f=V_C/V_BR，一般箝位因子僅為1.2～1.4。

G：峰值脈衝功率（PP）：PP按峰值脈衝功率的不同TVS分為四種，有500W、600W、1500W和5000W。最大峰值脈衝功率：最大峰值脈衝功率為：PN=V_C·I_PP。顯然，最大峰值脈衝功率愈大，TVS所能承受的峰值脈衝電流I_PP愈大；另一方面，額定峰值脈衝功率PP確定以後，TVS所能承受的峰值脈衝電流I_PP，隨著最大箝位電壓V_C的降低而增加。TVS最大允許脈衝功率除了和峰值脈衝電流和箝位電壓有關外，還和脈衝波形、脈衝持續時間和環境溫度有關。

TVS所能承受的瞬時脈衝峰值可達數百安培，其箝位響應時間僅為1*10^-12秒；TVS所允許的正向浪湧電流在25℃、1/120秒的條件下，也可達50-200安培。一般而言，TVS所能承受的瞬時脈衝是不重複的脈衝。而實際應用中，電路中可能出現重複性脈衝。

TVS器件規定，脈衝重複率比（脈衝持續時間和間歇時間之比）為0.01%。如不符合這一條件，脈衝功率的積累有可能使TVS燒毀，電路設計人員應注意這一點。TVS的工作是可靠的，即使長期承受不重複性大脈衝的高能量的衝擊，也不會出現「老化」問題。試驗證明，TVS經過10000次脈衝的安全工作後，其最大允許脈衝功率仍為原值的80％以上。

TVS主要用於對電路元件進行快速過電壓保護。它能「吸收」功率高達數千瓦的浪湧信號。TVS具有體積小、功率大、響應快、無噪聲和價格低等諸多優點。它的應用十分廣泛，如：家用電器、電子儀器、儀表、精密設備、計算機系統、通訊設備、RS232、485及CAN等通訊埠、ISDN的保護、I/O埠、IC電路保護；音、視頻輸入；交、直流電源；電機、繼電器噪聲的抑制等各個領域。它可以有效地對雷電和人為操作錯誤（涉及負載開關等）引起的過電壓衝擊起保護作用。

1、確定待保護電路的直流電壓或持續工作電壓。如果是交流電，應計算出最大值，即用有效值乘以1.414。

2、TVS的反向變位電壓即工作電壓（V_RWM），所選TVS的V_RWM應等於或大於上述步驟1所規定的操作電壓。這就保證了在正常工作條件下，TVS吸收的電流可忽略不計。如果步驟1所規定的電壓高於TVS的V_RWM，TVS將吸收大量的漏電流而處於雪崩擊穿狀態，從而影響電路的工作。

3、最大峰值脈衝功率確定電路的幹擾脈衝情況。根據幹擾脈衝的波形、脈衝持續時間，可確定能夠有效抑制該幹擾的TVS峰值脈衝功率。

4、所選TVS的最大箝位電壓（V_C）應低於被保護電路所允許的最大承受電壓。

5、單極性還是雙極性：常常會出現這樣的誤解，即雙向TVS用來抑制反向浪湧脈衝，其實並非如此。雙向TVS用於交流電或來自正負雙向脈衝的場合，TVS有時也用於減少電容。如果電路只有正向電平信號，那麼單向TVS就足夠了。

TVS的運作方式如下：正向浪湧時，TVS處於反向雪崩擊穿狀態；反向浪湧時，TVS類似正向偏置二極體一樣導通並吸收浪湧能量。在低電容電路中，情況就不是這樣了，此時應選用雙向TVS以保護電路中的低電容器件免受反向浪湧的損害。

6、如果知道比較準確的浪湧電流I_PP，那麼可以利用V_C來確定其功率，如果無法確定功率的大概範圍，一般來說，選擇大一些的功率比較好。

本文轉載自：今日頭條（作者：電子工程師筆記）

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