一文了解TVS管原理和特性

2020-11-22 電子工程專輯



介紹TVS管的資料太多，中文的也有非常多，不過大多數的都是翻譯的。這裡主要介紹原理特性和參數，然後畫一些時間分析一下散熱選取，最後把PCB總結一下。


瞬態二極體【TVS，Transient Voltage Suppressor】是一種二極體形式（齊納二極體的進化）的高效能保護器件。當TVS二極體的兩極受到反向瞬態高能量衝擊時，它能以極快的速度，將其兩極間的高阻抗變為低阻抗，吸收電源和信號線上的浪湧功率，使兩極間的電壓箝位於一個預定值。


雙向TVS和單向TVS


單向TVS和就特性而言和齊納管較類似，只能吸收正向的浪湧電壓脈衝，一般只用於直流電路（且沒有反接和負向脈衝）。


雙向TVS可在正反兩個方向吸收浪湧電壓脈衝，實現了對電壓的鉗制，雙向TVS用途較廣（直流，交流均可用）。


看下圖對比更清晰一些：


TVS管特點：


優點：響應時間快、瞬態功率大、漏電流低、箝位電壓較易控制、無損壞極限、體積小等優點。


缺點：擊穿電壓較低，價格較貴。


與MOV的對比結果：


TVS管參數：


1） 擊穿電壓【V(BR)】


TVS在發生擊穿的區域內，在規定的試驗電流I(BR)下，測得器件兩端的電壓稱為擊穿電壓。


2） 最大反向脈衝峰值電流【I.PP】


在擊穿時【規定的脈衝條件下】器件允許通過的最大脈衝峰值電流。




我們要注意這個參數，因為瞬態脈衝功率的最大值=IPP×最大箝位電壓VC(MAX)。要保證TVS能夠正常工作，需要確認額定瞬態脈衝功率PPR大於最大瞬態浪湧功率。


實際上峰值電流的試驗波形採用標準波（指數波形），由TR/TP決定。


峰值電流上升時間TR:電流從0.1IPP開始達到0.9IPP的時間。


半峰值電流時間TP：電流從零開始通過最大峰值後，下降到0.5IPP值的時間。



3） 最大反向工作電壓【VRWM】


TVS保護電路過程中，在規定的反向電流下，TVS兩端的電壓值稱為最大反向工作電壓VRWM。


一般VRWM=（0.8~0.9）V(BR)。在這個電壓下，器件的功率消耗很小。我們一般設計的時候要選擇VRWM大於16V的器件。


4）最大箝位電壓【VC(max)】


在脈衝峰值電流Ipp 作用下器件兩端的最大電壓值稱為最大箝位電壓。使用時，應使VC(max )不高於被保護器件的最大允許安全電壓。最大箝位電壓與擊穿電壓之比稱為箝位係數。


5）反向脈衝峰值功率PPR


TVS的PPR取決於脈衝峰值電流IPP和最大箝位電壓VC(max)，除此以外，還和脈衝波形、脈衝時間及環境溫度有關。


當脈衝時間Tp一定時，PPR=K1×K2×VC(max)×Ipp，式中K1為功率係數，K2為功率的溫度係數。


典型的脈衝持續時間Tp為1MS，當施加到瞬態電壓抑制二極體上的脈衝時間tp 比標準脈衝時間短時，其脈衝峰值功率將隨tp 的縮短而增加。




TVS的反向脈衝峰值功率PPR與經受浪湧的脈衝波形有關，用功率係數K1表示：E=∫i(t)?V(t)dt，式中：i(t)為脈衝電流波形，V(t) 為箝位電壓波形。




這個額定能量值在極短的時間內對TVS是不可重複施加的。但是，在實際的應用中，浪湧通常是重複地出現，在這種情況下，即使單個的脈衝能量比TVS器件可承受的脈衝能量要小得多，但若重複施加，這些單個的脈衝能量積累起來，在某些情況下，也會超過TVS器件可承受的脈衝能量。因此，電路設計必須在這點上認真考慮和選用TVS器件，使其在規定的間隔時間內，重複施加脈衝能量的累積不至超過TVS器件的脈衝能量額定值。


6） 電容CPP


TVS的電容由矽片的面積和偏置電壓來決定，電容在零偏情況下，隨偏置電壓的增加，該電容值呈下降趨勢。電容的大小會影響TVS器件的響應時間。



7） 漏電流IR


當最大反向工作電壓施加到TVS上時，TVS管有一個漏電流Ir，在汽車電子中，這個參數影響到靜態電流。


作者：朱玉龍， 來源：麵包板社區

連結：https://www.mianbaoban.cn/blog/562639-312909.html

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