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瞬态电压抑制二极管应用指南

已有 396 次阅读2011-5-14 18:27 |个人分类:硬件| 关键词:

第一章 TVS器件的特点、电特性和主要电参数
一、 TVS器件的特点
    瞬态(瞬变)电压抑制二级管简称TVS器件,在规定的反向应用条件下,当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时,其工作阻抗能立即降至很
低的导通值,允许大电流通过,并将电压箝制到预定水平,从而有效地保护电子线路中的精密元器件免受损坏。TVS能承受的瞬时脉冲功
率可达上千瓦,其箝位响应时间仅为1ps(10-12S)。TVS允许的正向浪涌电流在TA=250C,T=10ms条件下,可达50~200A 。
双向TVS可在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率,并把电压箝制到预定水平,双向TVS适用于交流电路,单向TVS一般用于直流电路。
二、 TVS器件的电特性
1、单向TVS的V-I特性
    如图1-1所示,单向TVS的正向特性与普通稳压二极管相同,反向击穿拐点近似“直角”为硬击穿,为典型的PN结雪崩器件。从击穿点到
VC值所对应的曲线段表明,当有瞬时过压脉冲时,器件的电流急骤增加而反向电压则上升到箝位电压值,并保持在这一水平上。
2、双向TVS的V-I特性
    如图1-2所示,双向TVS的V-I特性曲线如同两只单向TVS“背靠背”组合,其正反两个方向都具有相同的雪崩击穿特性和箝位特性,正反两
面击穿电压的对称关系为:0.9≤V(BR)(正)/V(BR)(反)≤1.1,一旦加在它两端的干扰电压超过箝位电压VC就会立刻被抑制掉,双向TVS在交
流回路应用十分方便。
三、TVS器件的主要电参数
1、 击穿电压V(BR)
    器件在发生击穿的区域内,在规定的试验电流I(BR)下,测得器件两端的电压称为击穿电压,在此区域内,二极管成为低阻抗的通路。
2、 最大反向脉冲峰值电流IPP
    在反向工作时,在规定的脉冲条件下,器件允许通过的最大脉冲峰值电流。IPP与最大箝位电压VC(MAX)的乘积,就是瞬态脉冲功率的最大
值。
    使用时应正确选取TVS,使额定瞬态脉冲功率PPR大于被保护器件或线路可能出现的最大瞬态浪涌功率。
    当瞬时脉冲峰值电流出现时,TVS被击穿,并由击穿电压值上升至最大箝位电压值,随着脉冲电流呈指数下降,箝位电压亦下
降,恢复到原来状态。因此,TVS能抑制可能出现的脉冲功率的冲击,从而有效地保护电子线路。
峰值电流波形
A、正弦半波 B、矩形波
C 、标准波(指数波形) D、三角波
TVS峰值电流的试验波形采用标准波(指数波形),由TR/TP决定。
  峰值电流上升时间TR:电流从0.1IPP开始达到0.9IPP的时间。
   半峰值电流时间TP:电流从零开始通过最大峰值后,下降到0.5IPP值的时间。
   下面列出典型试验波形的TR/TP值:
  A、EMP波:10ns /1000ns
  B、闪电波:8μs /20μs C、标准波:10μs /1000μs
3、 最大反向工作电压VRWM(或变位电压)
    器件反向工作时,在规定的IR下,器件两端的电压值称为最大反向工作电压VRWM。通常VRWM=(0.8~0.9)V(BR)。在这个电压下,器件的
功率消耗很小。使用时,应使VRWM不低于被保护器件或线路的正常工作电压。
4、 最大箝位电压VC(max )
    在脉冲峰值电流Ipp 作用下器件两端的最大电压值称为最大箝位电压。使用时,应使VC(max )不高于被保护器件的最大允许安全电压。最大箝位电压与击穿电压之比称为箝为系数。
即:箝位系数=VC(max )/V(BR)
    一般箝位系数为1.3左右。
5、 反向脉冲峰值功率PPR
    TVS的PPR取决于脉冲峰值电流IPP和最大箝位电压VC(max ),除此以外,还和脉冲波形、脉冲时间及环境温度有关。
当脉冲时间Tp 一定时,PPR=K1‧‧‧‧‧‧K2‧VC(max )‧Ipp
式中K1为功率系数,K2为功率的温度系数。
    典型的脉冲持续时间tp 为1MS,当施加到瞬态电压抑制二极管上的脉冲时间tp 比标准脉冲时间短时,其脉冲峰值功率将随tp 的缩短而增加。
    TVS的反向脉冲峰值功率PPR与经受浪涌的脉冲波形有关,用功率系数K1表示
      E=∫i(t)‧V(t)dt
式中:i(t)为脉冲电流波形,V(t) 为箝位电压波形。
    这个额定能量值在极短的时间内对TVS是不可重复施加的。但是,在实际的应用中,浪涌通常是重复地出现,在这种情况下,即使单个的脉冲能量比TVS器件可承受的脉冲能量要小得多,但若重复施加,这些单个的脉冲能量积累起来,在某些情况下,也会超过TVS器件可承受的脉冲能量。因此,电路设计必须在这点上认真考虑和选用TVS器件,使其在规定的间隔时间内,重复施加脉冲能量的累积不至超过TVS器
件的脉冲能量额定值。
6、 电容CPP
    TVS的电容由硅片的面积和偏置电压来决定,电容在零偏情况下,随偏置电压的增加,该电容值呈下降趋势。电容的大小会影响TVS器件的
响应时间。
7、 漏电流IR
    当最大反向工作电压施加到TVS上时,TVS管有一个漏电流IR,当TVS用于高阻抗电路时,这个漏电流是一个重要的参数。
第二章 TVS选用原则
    在选用TVS时,必须考虑电路的具体条件,一般应遵循以下原则:
一、 大箝位电压VC(MAX)不大于电路的最大允许安全电压。
二、 最大反向工作电压(变位电压)VRWM不低于电路的最大工作电压,一般可以选VRWM等于或略高于电路最大工作电压。
三、 额定的最大脉冲功率,必须大于电路中出现的最大瞬态浪涌功率。
    下面是TVS在电路应用中的典型例子:
TVS用于交流电路:见图2-1,这是一个双向TVS在交流电路中的应用,可以有效地抑制电网带来的过载脉冲,从而起到保护整流桥及负载中所有元器件的作用。TVS的箝位电压不大于电路的最大允许电压。图2-2所示,是用单向TVS并联于整流管旁侧,以保护整流管不被瞬时脉冲击穿,选用TVS必须是和整流管相匹配。图2-3所示电路中,单向TVS1和TVS2反接并联于电源变压器输出端或选用一个双向TVS,用以保护整流电路及负载中的元器件。TVS3保护整流以后的线路元件,如电源变压器输出端电压为36伏时一般TVS1和TVS2的工作电压VR应根据36× 来选择,其它参数依据电路中的具体条件而下。
    TVS用于直流电路,图2-4所示TVS并联于输出端,可有效地保护控制系统。TVS的反向工作电压应等于或略高于直流供电电压,其它参数根据电路的具体条件而定。图2-5所示为两个单向TVS连接在电源线路中,用以防止直流电源反接或电源通、断时产生的瞬时脉冲使集成电路损坏。当电路连接有感性负载,如电机、断电器线圈、螺线管时,会产生很高的瞬时脉冲电压,TVS可以保护晶体管及逻辑电路,从而省去了较复杂的电阻/电容保护网络。TVS起保护和电压限制的作用。
    直流电中选用举例:
    整机直流工作电压12V,最大允许安全电压25V(峰值),浪涌源的阻抗50MΩ,其干扰波形为方波,TP=1MS,最大峰值电流50A。
选择:1、先从工作电压12V选取最大反向工作电压VRWM为13V,则击穿电压
V(BR)= =15.3V;
2、从击穿电压值选取最大箝位电压VC(MAX)=1.30×V(BR)=19.89V,取
VC=20V;
3、再从箝位电压VC和最在峰值电流IP计算出方波脉冲功率:
PPR=VC×IP=20×50=1000W
4、计算折合为TP=1MS指数波的峰值功率,折合系数K1=1.4,
PPR=1000W÷1.4=715W
    从手册中可查到1N6147A其中PPR=1500W,变位电压VRWM=12.2V,击穿电压V(BR)=15.2V,最大箝位电压VC=22.3V,最大浪涌电流IP=67.3A。可满足上述设计要求,而且留有一倍的余量,不论方波还是指数波都适用。
    交流电路应用举例:
    直流线路采用单向瞬变电压抑制二极管,交流则必须采用双向瞬变电压抑制二极管。交流是电网电压,这里产生的瞬变电压是随机的,有
时还遇到雷击(雷电感应产生的瞬变电压)所以很难定量估算出瞬时脉冲功率PPR。但是对最大反向工作电压必须有正确的选取。一般原则
是交流电压乘1.4倍来选取TVS管的最大反向工作电压。直流电压则按1.1—1.2倍来选取TVS管的最在反向工作电压VRWM。
    给出了一个微机电源采用TVS作线路保护的原理图,由图可见:
1、 在进线的220V~处加TVS管抑制220V~交流电网中尖峰干扰。
2、 在变压器进线加上干扰滤波器,滤除小尖峰干扰。
3、 在变压输出端V~=20V处又加上TVS管,再一次抑制干扰。
4、 到了直流10V输出时还加上TVS管抑制干扰。
其中:双向TVS管D1的VRWM=220V~×1.4=308V左右
双向TVS管D2的VRWM=20V~×1.4=28V左右
单向TVS管D3的VRWM=10V~×1.2=12V左右
    经过如上四次抑制,变成所谓的“净化电源”,还可以加上其它措施,更有效地抑制干扰,防止干扰进入计算机的CPU及存贮器中,从而
提高微机系统的应用可靠性。
    从失效统计概率可知:微机系统产生100次故障,其中90次来自电源,10次是微机本身,可见电源的可靠性最重要,要提高整机可靠性,首
先应提高电源的可靠性。
第三章 TVS应用实例
    TVS在美国应用十分广泛,特别是在军事电子装备中非常重视,美国军标不但出牌了不少TVS器件的标准,同时在线路应用方面也有军标,如MIL-HDBK-978B《宇航用电子元器件手册》中第4.8节为“双极型瞬变电压抑制器”,文中列出不少TVS的应用实例。MIL-HDBK-338B《电子设备可靠性手册》中第7.4.4节为“瞬态和过应力保护”,文中也谈到了TVS的应用。
TVS在国内的应用,正处于推广应用的阶段,为了加深电路设计人员对TVS的认识,提高国产整机的可靠性,现将上述两个美国军标中译出的部分资料整理成文,推荐给广大电路设计人员参考使用。
一、 TVS在微机中的应用实例
    一个典型的微机系统,通过电源线、输入线、输出线进入的各种干扰或瞬变电压,可能使微机误动作出故障,特别是来自开关电
源,微机近旁的电动机的开与关、交流电源电压的浪涌和瞬变、静电放电等场合都可能使系统产生误动作,严重时还可能损坏器件。将瞬
变电压抑制二极管接到微机的电源线输入和输出线上,可防止瞬变电压进入“微机”总线,加强微机对外界干扰的抵抗能力,保证微机正
常工作,提高其应用可靠性。,使用TVS管的量是很多的。
二、 TVS管保护开关电源实例
    对开关电源设计师来讲,必须对影响开头电源的三种瞬变类型进行保护:
1、 由负载变化引起的瞬变电压(电感负载);
2、 由电源线引入的瞬变电压;
3、 由开关电源内部发生的瞬变电压。
由于电源中需要保护的典型元器件有:
1、 高反压开关晶体管(VMOS管)
2、 高压整流器(高压流整流二极管)
3、 输出整流器(输出大电流整流二极管)
4、 内部控制电路(脉宽调制器等)
    典型开关电源中应用TVS的实例,由图可见共有八个TVS管,各自保护自已的对象,当然八个TVS管的特性也不同,从“击穿电压”、“最大脉冲峰值功率”、“脉冲峰值电流”到“箝位电压”等都有区别。美国HP公司某仪器使用的开关电源,从图中可以看到该电源中所有瞬变电压抑制二极管的数量及情况。
    国外应用TVS是非常普遍的,而且数量也是很多的,可见TVS对提高整机应用可靠性是至关重要的。
三、 TVS保护直流稳压电源实例
    一个直流稳压电源,并有扩大电流输出的晶体管,在其稳压输出端加上瞬变电压抑制二极管,可以保护使用该电源的仪器设备,同时还可以吸收电路中晶体管的集电极到发射极间的峰值电压,保护晶体管。建设在每个稳压源输出端增加一个TVS管,可大幅度提高整机应用可靠性。
四、 TVS保护晶体管实例
    各种瞬变电压能使晶体管EB结或CE结击穿而损坏,特别是晶体管集电极有电感性(线圈、变压器、电动机)负载时,会产生高压反电势,
往往使晶体管损坏。建设采用TVS管作为保护器。图3-5为TVS保护晶体管的四种实例。
五、 TVS保护集成电路实例
    由于集成电路集成度越来越高,其耐压越来越低,容易受到瞬变电压的冲击而损坏,必须采取保护措施。例如CMOS电路在其输入端及输
出端都有保护网路,为了更可靠起见,在各整机对外接口处还增加各种保护网络。图6中介绍了TTL及CMOS器件的有关保护措施。
六、 TVS保护可控硅实例
    可控硅可能误触发导致误动作,可控硅控制极电流不能太大,电压不能过高,必须采用各种保护措施。
七、 TVS保护继电器实例
    继电器有驱动线圈,当用大功率晶体管驱动时,应采取保护措施,如图5所示。有时也采用图8所示方法来抑制线圈中的高压反电势保护晶体管,哪个方案更好应根据实际情况决定。图中二极管允许的电源应比晶体管的工作电流大一倍左右,例如继电器线圈的最大电流IA,则二极管额定电流选2-3A左右,耐压则应大于电源电压的2倍左右,例如电源电压27V,则二极管耐压应为60V以上。
    继电器的触点往往用大电流去开关电动机等大电流电感负载,而电感在开关时有很高的反电势,而且有较大的能量,往往把触点烧坏或击穿产生电弧等,必须对触点采取保护,抑制电弧的产生,以保护继电器。但是这种电弧产生的浪涌电流很大,过去采用电容或者用电容串联电阻、二极管、二极管串联电阻等抑制方案,现在采用瞬变电压抑制二极管方案效果更好。
    美国军标举例说明TVS管的选取方法:
已知:TVS管的箝位电压VC,负载电感L和电阻RL
计算:由图3-10可见:最大峰值电流IP =
最大脉冲峰值功率PPR = IP × VC
脉冲时间TP = = =
瞬变电压抑制二极管的脉冲峰值功率与持续时间有一定关系见图3-11,否则会烧坏TVS管。
八、 TVS保护集成运放
    集成运放对外界电应力非常敏感,在使用运放的过程中,如果因操作失误或采取了不正常的工作条件,出现了过大的电压或电流,特别是浪涌和静电脉冲,就很容易使运放受损或换效。在运放差模输入端采取的过压损伤保护方法。积分电路中,如果电容充放电到高电位,然后切断电源电压,就会在输入端产生瞬态电压,交出现大的放电电流,导致运放受损。如果电容值较大(如大于0.1μF),这种效应将会十分显著。采用简单的保护电路,就能有效地防止差模电压过大,导致运放内部的电路失效。
九、 TVS抑制电磁脉冲干扰实例
    美国哈里期公司对电子元器件抗辐射的论文中,谈及核爆炸引发强大的电磁脉冲,这种电脉冲在导线中引起感应电压,如果感应电压超过器件的击穿电压,就可能使元器件击穿失效,特别长线传输时,更能感应而产生较高的电压。
    用瞬变电压抑制二极管并联在信号线及电源线上,可以吸收电磁脉冲引起的感应电压,保证系统的可靠性,避免辐射损坏元器件。
十、 用TVS防止感应雷电损坏微机系统实例
    广州深圳海关计算机中上瞬变电压抑制器,提高了应用可靠性,受到用户好评。
    南方打雷很多,雷电感应电压常常把计算机网中的部分计算机的集成电路击穿。每年有不少联网计算机因雷击而损坏,原因是分机与主机这间有200米以上的电缆,电缆中因雷电感应产生瞬态高压把计算机中的元器件击穿而损坏,产生较大的损失,在微机中加装很多瞬变电压抑制二级管后不再损坏。实践说明瞬变电压抑制二极管很实用,能提高整机应用可靠性,会产生较大的经济效益。
    还有很多应用,例如对VMOS大功率三极管,在栅极与源机之间中上瞬变电压抑制二极管,可以防止栅极击穿(见图3-13)提高VMOS功率
管的应用可靠性。
 
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