TVS二极管在电路设计中的应用-(2)

TVS二极管在电路设计中的应用摘要：瞬变电压抑制二极管（TransientVoltageSuppressor）是一种保护敏感元器件免受ESD和EMI浪涌脉冲的有效、低成本的器件。本文介绍了TVS二极管的特性及关键参数；给出了TVS二极管选型及在电路设计中的典型应用，同时给出了TVS二极管的性能优化及使用时注意事项。关键词：TVS；电路设计；元器件保护Abstract:Transientvoltagesuppressionisaneffectivelow-costchip,toprotectsensitiveelectroniccomponentfromelectrostaticdischargeandelectromagneticinterferencesurgeinterference.Inthisarticle,willdescribesasbelow:1).thecharacteristicsandKeyparametersofTransientvoltagesuppression;2).HowtoselectTransientvoltagesuppressionandthetypicalapplicationincircuitdesign,3).theTransientvoltagesuppressionperformanceoptimizationandoperatingprecautions.Keywords:TVS;circuitdesign;electroniccomponentprotection引言瞬态抑制(TVS)二极管又叫箝位型二极管，是目前普遍使用的一种高效能电路保护器件，它的外型与普通二极管相同，但其吸收的浪涌功率可达数千瓦，它的主要特点是在反向应用条件下，当承受一个高能量的脉冲时，其工作阻抗立即降至极低的导通值，从而允许大电流通过，同时把电压箝制在预定水平，其响应时间1ns，因此可有效地保护电子线路中的精密元器件。具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、损坏极限较高、体积小等优点。1TVS二极管的特性及关键参数TVS二极管的特性在规定的反向应用条件下，TVS二极管对受保护的线路呈高阻抗状态。当瞬间电压超过其击穿电压时，TVS二极管就会提供一个低阻抗的路径，并通过大电流方式使流向被保护元器件的瞬间电流分流到TVS二极管，同时将受保护元器件两端的电压限制在TVS二极管的箝位电压。当过压条件消失后，TVS二极管又恢复到高阻抗状态。TVS二极管的关键参数1.1.1最小击穿电压BRV器件在发生击穿的区域内，在规定的试验电流BRI（一般情况BR1ImA＝）下，测得器件两端的电压称为最小击穿电压。1.1.2反向断态电压RWMVTVS二极管最大连续工作的直流或脉冲电压，该电压施加于TVS二极管的两极间时，它处于反向关断状态，流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流RI。1.1.3脉冲峰值电流PPI反向工作时，在规定的脉冲波形（如：10/1000μs双指数波形）条件下，器件允许通过的最大浪涌电流。1.1.4最大箝位电压CV当脉冲峰值电流PPI流过TVS二极管时，其两端出现的最大电压值称为箝位电压CV。CV和PPI反映了TVS二极管的浪涌抑制能力。通常把CV与BRV之比称为箝位因子（系数），其值一般在1.2～1.4之间。1.1.5脉冲峰值功率PPP脉冲峰值功率PPP是指脉冲峰值电流PPI与最大箝位电压CV的乘积，即PPPPC×PIV＝。它是TVS二极管能承受的最大峰值功率。在给定的最大箝位电压下，脉冲峰值功率PPP越大，其浪涌电流的承受能力越大。1.1.6结电容JCTVS二极管结电容JC是由其硅片的雪崩结截面和偏置电压来决定的，是在特定频率（1MHz）下测得。JC的大小与TVS二极管的电流承受能力成正比，JC太大，将使信号衰减。因此，电容JC是数据接口电路选用TVS二极管的重要参数。1.1.7最大反向漏电流RI当反向断态电压RWMV施加到TVS二极管上时，TVS二极管对应的电流RI。2选用TVS二极管的注意事项在选用TVS二极管时，根据电路的具体情况，一般应考虑以下几个主要因素：a)若TVS二极管有可能承受来自两个方向的尖峰脉冲电压冲击时，优先选用双极性。交流电路必须选用双极性TVS二极管；多线保护选用TVS二极管阵列。大功率保护选用TVS二极管专用保护模块。b)所选用TVS二极管的CV值必须低于被保护元件的最高工作电压（峰值），也不能大于被保护回路的可承受极限电压，否则被保护元件有可能被损坏。c)TVS二极管的反向断态电压RWMV应大于或等于被保护电路的最大工作电压。若选用的RWMV太低，器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作。d)TVS二极管在正常工作状态下不能处于击穿状态，所承受的电必须处于RWMV以下，应综合考虑RWMV和CV两方面的要求来选择适当的器件型号。e)利用CPP×VI来确定功率，如果没有准确的PPI值，可根据电磁兼容试验数据或经验值来确定。f)结电容JC的大小与TVS二极管的电流承受能力成正比，但JC过大将使信号衰减。对于信号频率越高的电路，结电容对电路的影响越大，形成噪声也较大。在实际使用电路信号频率较高时，需要考虑结电容参数，如果多个节点并联使用，应特别关注。高频回路一般选择电容量小的LCTVS管（如USB2.0口，要求结电容低于3pF），或者用一个TVS二极管与一个快恢复二极管以背对背方式连接。g)TVS二极管可在-55℃～+150℃温度范围内工作。由于其反向漏电流RI是随温度增加而增大、功耗随TVS管结温增加而下降，大约线性下降；击穿电压随温度的增加按一定的系数增加。因此，必须查阅有关产品资料，考虑温度变化对其特性的影响。h)在规定的脉冲持续时间内，TVS二极管的最大峰值脉冲功率PPP必须大于被保护电路可能出现的峰值脉冲功率。在确定了最大箝位电压后，其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。一般TVS二极管的最大峰值脉冲功率是以10/1000μs的非重复脉冲给出的，而实际的脉冲宽度是由脉冲源决定的，当脉冲宽度不同时其峰值功率也不同。i)TVS二极管应用在继电器、功率开关或电机控制等场合下，需要承受有规律的、短暂的脉冲群冲击，应考虑这种冲击对平均稳态功率参数选择的影响。j)不能通过并联使用提高吸收功率。k)选用TVS二极管阵列不但可以大大节约PCB板的空间，而且可减少由于回路复杂而可能诱发的寄生性线路自感影响。l)当TVS二极管用于高阻抗电路时，漏电流是一个重要的参数。3TVS二极管在电路设计中的典型应用在实际应用电路中，处理瞬时脉冲对器件损害的最好办法，就是将瞬时电流从敏感器件引开。为达到这一目的，将TVS二极管在PCB上与被保护器件并联。这样，当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TVS二极管将发生雪崩击穿，从而提供给瞬时电流一个超低阻抗的通路，其结果是瞬时电流通过TVS二极管被引开，从而避开被保护器件，并且电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压，在此之后，当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管在自动恢复至高阻状态，整个回路进入正常电压状态。以下是TVS二极管在电路应用中的几个典型实例。TVS二极管在交流电路中的应用如图1所示，这是一个双向TVS二极管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。图1TVS二极管应用于交流电路如图2所示，单向TVS二极管并联于整流管旁侧，以保护整流管不被瞬时脉冲击穿。图2TVS二极管应用于整流电路TVS二极管应用于直流稳压电源保护图3是一个直流稳压电压，在其输出端加上TVS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，从而保护晶体管。建议在每个稳压源的输出端增加一个TVS二极管，这样可以大幅度地提高整机的可靠性。图3TVS二极管应用于直流稳压电源保护TVS二极管应用于晶体管电路保护各种瞬变电压会使晶体管的EB结或CE结击穿而损坏，当晶体管集电极有感性(继电器线圈、变压器、电动机)负载时，通常会产生高压反电势，可能损坏晶体管。在实际应用中，建议采用TVS二极管作为保护器件。图4所示为TVS二极管应用于晶体管电路的保护实例。图4TVS二极管用于晶体管电路保护集成电路的保护由于现代IC的集成度越来越高，而其耐压则越来越低，因而很容易受到瞬变电压的冲击而损坏，故须采取保护措施。通常在CMOS电路的输入端及输出端都有保护网络，为了可靠起见，在各整机对外接口处也增加了各种保护网络。图5中给出了用TVS二极管对CMOS器件进行保护的有关电路措施。图5TVS二极管集成电路保护实例TVS二极管应用于集成电路运放保护集成运放对外界电应力非常敏感，图6所示是用TVS在运放差模输入端防止过压损伤的保护电路。图6TVS二极管应用于集成运放保护TVS二极管应用于通信端口保护通信总线需要与外部很多设备进行数据交换，要增加浪涌防护功能；如图7所示，TVS二极管对管在RS-485收发器接口处实现共模浪涌防护功能。图7通信端口保护电路4TVS二极管性能优化器件摆放位置TVS二极管在进出PCB的I/O连接器上的数据和电源线上使用，器件尽量接近噪声源，确保浪涌电压可以在脉冲耦合到邻近PCB导线之前被钳位。另外，PCB应使用较短的TVS二极管导线，减少浪涌能量的消耗。图8提供了PCB布局建议的实例。图8TVS二极管器件放置示意图环路区将TVS二极管与被保护器件间的距离尽量加大可以提高防护效果，但却可能增加环路区的面积大小，如图9所示。应根据应用情况调整TVS二极管与被保护器件的距离。图9环路区域走线方式避免被保护回路和未实施保护的回路并联，接口信号线路和接地线路应先连接保护器件，然后再进入回路的其它部分，如图10所示。图10布线示意图接地选择a)原则上，保护器件应和被保护器件接在同一个地上。泄放电流LI100A的TVS二极管应接信号地。b)如果信号输入需要光耦隔离，则输入信号应先到TVS二极管再到光耦，TVS二极管接到隔离地上。c)如果使用变压器隔离，则TVS二极管接到变压器之后，TVS二极管接信号地。d)泄放电流LI100A时，TVS二极管应先接至保护地上，然后再接机壳地。TVS二极管应放置于过流防护器件（如保险管）之后。5TVS二极管在使用中应注意的事项a)脉冲峰值功率与瞬变电压脉冲宽度间的关系。器件手册给的只是特定宽度下的脉冲峰值功率，而实际电路设计中的脉冲宽度则变化莫测，事前要有估计。对宽脉冲应降额使用，对小电流负载的保护，可在电路中增加限流电阻，即可实现选用脉冲峰值功率较小的TVS二极管对小电流负载电路进行保护。b)降额使用。TVS二极管要注意环境温度升高时的降额使用。特别要注意TVS二极管的引线长短，以及它与被保护线路的相对距离。当没有合适电压的TVS二极管供选用时，允许用多个TVS二极管串联使用。串联管的最大电流决定于所采用管中电流吸收能力最小的一个。而脉冲峰值功率等于电流与串联管电压之和的乘积。c)TVS二极管的结电容影响它在高速电路中使用的关键因素。在此情况，一般用一个TVS二极管与一个快恢复二极管以背对背的方式连接，可满足高频使用要求。6结束语TVS二极管是一种保护敏感元器件免受ESD和EMI浪涌脉冲的有效、低成本的器件，随着TVS二极管的迅速发展和广泛应用，本文通过介绍TVS二极管的特性及关键参数、选型、典型应用、性能优化和电路设计中的注意事项，使TVS二极管在电路设计应用中发挥最佳性能，有效解决电路瞬变干扰引起的过压问题，大大提高电子设备的安全性和可靠性。