TVS原理与应用

瞬态电压抑制二极管应用第一章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(TRANSIENTVOLTAGESUPPRESSORS)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。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电压基本不变。瞬态电压抑制二极管应用第一章TVS器件的特点、电特性和主要电参数三、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。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、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。瞬态电压抑制二极管应用第一章TVS器件的特点、电特性和主要电参数三、TVS器件的主要电参数6、反向脉冲峰值功率PPRTVS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。瞬态电压抑制二极管应用第一章TVS器件的特点、电特性和主要电参数三、TVS器件的主要电参数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。瞬态电压抑制二极管应用第一章TVS器件的特点、电特性和主要电参数三、TVS器件的主要电参数7、电容CPPTVS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。瞬态电压抑制二极管应用第二章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：瞬态电压抑制二极管应用第二章TVS选用原则瞬态电压抑制二极管应用第二章TVS选用原则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。瞬态电压抑制二极管应用第二章TVS选用原则图2-6中的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。图2-7电路中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=1000W4、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1.5KE15A其中PPR=1500W，关断电压VRWM=12.8V，击穿电压V（BR）=14.3～15.8V，最大箝位电压VC=21.2V，最大浪涌电流IP=1500/21.2＝70.7A。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。瞬态电压抑制二极管应用第二章TVS选用原则交流电路应用举例：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。图2-8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