瞬態(tài)電壓抑制器TVS的選型過(guò)程及事項(xiàng)

提到TVS，大部分電子工程師基本都知道是用來(lái)端口防護(hù)的，防止端口瞬間的電壓沖擊造成后級(jí)電路的損壞。由于其在電路中的極其重要的地位，但是，針對(duì)TVS的選型過(guò)程，很多廠家都是直接給推薦電路，直接告訴設(shè)計(jì)者答案選擇哪個(gè)器件，卻很少對(duì)選型過(guò)程提供理論計(jì)算，大部分的電子工程師針對(duì)TVS選型的時(shí)候，老人憑經(jīng)驗(yàn)，新人憑參考，一旦更換廠家或者更換測(cè)試條件，就無(wú)從下手了，本文就專門解決該問題，讓新人老人對(duì)TVS選型都能得心應(yīng)手。

01

TVS工作原理

TVS（Transient Voltage Suppressors），即瞬態(tài)電壓抑制器，又稱雪崩擊穿二極管。它是采用半導(dǎo)體工藝制成的單個(gè) PN 結(jié)或多個(gè) PN 結(jié)集成的器件。TVS 有單向與雙向之分，單向 TVS 一般應(yīng)用于直流供電電路，雙向 TVS 應(yīng)用于電壓交變的電路。如圖 1 所示，應(yīng)用于直流電路時(shí)單向 TVS 反向并聯(lián)于電路中，當(dāng)電路正常工作時(shí)，TVS 處于截止?fàn)顟B(tài)（高阻態(tài)），不影響電路正常工作。當(dāng)電路出現(xiàn)異常過(guò)電壓并達(dá)到TVS（雪崩）擊穿電壓時(shí)，TVS 迅速由高電阻狀態(tài)突變?yōu)榈碗娮锠顟B(tài)，泄放由異常過(guò)電壓導(dǎo)致的瞬時(shí)過(guò)電流到地，同時(shí)把異常過(guò)電壓鉗制在較低的水平，從而保護(hù)后級(jí)電路免遭異常過(guò)電壓的損壞。當(dāng)異常過(guò)電壓消失后，TVS 阻值又恢復(fù)為高阻態(tài)。

圖1 ：TVS工作原理

02

TVS關(guān)鍵參數(shù)

工欲善其事，必先利其器，要用好TVS，必須先了解其關(guān)鍵的參數(shù)。

(1) Vrwm截止電壓：

TVS 的最高工作電壓，可連續(xù)施加而不引起 TVS 劣化或損壞的最高工作峰值電壓或直流峰值電壓。對(duì)于交流電壓，用最高工作電壓有效值表示，在 V RWM 下，TVS 認(rèn)為是不工作的，即是不導(dǎo)通的。換一句話，電路的最高工作電壓必須小于Vrwm，否則將會(huì)導(dǎo)致TVS動(dòng)作導(dǎo)致電路異常。

(2) I R 漏電流：

漏電流，也稱待機(jī)電流。在規(guī)定溫度和最高工作電壓條件下，流過(guò) TVS 的最大電流。TVS 的漏電流一般是在截止電壓下測(cè)量，對(duì)于某一型號(hào) TVS, I R 應(yīng)在規(guī)定值范圍內(nèi)。對(duì) TVS 兩端施加電壓值為 V RWM ，從電流表中讀出的電流值即為 TVS的漏電流 I R 。對(duì)于同功率和同電壓的 TVS，在 V RWM ≤10V 時(shí)，雙向 TVS 漏電流是單向 TVS 漏電流的 2 倍。對(duì)于一些模擬端口，漏電流會(huì)影響AD的采樣值，所以TVS的漏電流越小越好。

(3)V BR擊穿電壓

擊穿電壓，指在 V-I 特性曲線上，在規(guī)定的脈沖直流電流 I T 或接近發(fā)生雪崩的電流條件下測(cè)得 TVS 兩端的電壓。測(cè)試的電流It一般選取10mA左右，施加的電流的時(shí)間不應(yīng)超過(guò)400ms，以免損壞器件，V BR MIN .和 V BR MAX .是 TVS 擊穿電壓的一個(gè)偏差，一般 TVS 為±5%的偏差。測(cè)量時(shí)，V BR 落在 V BR MIN .和 V BR MAX .之間視為合格品。

(4)I PP峰值脈沖電流 ，VC鉗位電壓

峰值脈沖電流，給定脈沖電流波形的峰值。TVS 一般選用 10/1000μs 電流波形。鉗位電壓，施加規(guī)定波形的峰值脈沖電流 I PP 時(shí)，TVS 兩端測(cè)得的峰值電壓。I PP 及 V C 是衡量 TVS 在電路保護(hù)中抵抗浪涌脈沖電流及限制電壓能力的參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)是相互聯(lián)系的。對(duì)于 TVS 在防雷保護(hù)電路中的鉗位特性，可以參考 V C 這個(gè)參數(shù)。對(duì)于相同型號(hào) TVS，在相同 I PP 下的V C 越小，說(shuō)明 TVS 的鉗位特性越好。TVS 的耐脈沖電流沖擊能力可以參考 I PP ，同型號(hào)的 TVS，I PP 越大，耐脈沖電流沖擊能力越強(qiáng)。

(5)結(jié)電容CI，漏電流Ir；

結(jié)電容是TVS中的寄生電容，在高速IO端口保護(hù)需要重點(diǎn)關(guān)注，過(guò)大的結(jié)電容可能會(huì)影響信號(hào)的質(zhì)量。漏電流主要帶來(lái)了功率的損耗，或者是在模擬信號(hào)中，會(huì)影響AD信號(hào)的采樣值。

圖2，廠家一般都是提供10/1000μs的測(cè)試波形

圖3 ：TVS的關(guān)鍵參數(shù)

03

TVS選型過(guò)程

了解了TVS的基本參數(shù)，我們就開始進(jìn)入最重要的TVS選型的過(guò)程了。選擇TVS之前，我們首先要明白選擇的終極目標(biāo)：

1.電壓合適能保護(hù)后級(jí)電路；

2.引入的TVS的結(jié)電容不能影響電路；

3.TVS功率余量充足，滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，且不能比保險(xiǎn)管先掛。選型的過(guò)程可以按照以下的步驟進(jìn)行：

(1)選擇TVS最高工作電壓Vrmw；

(2)選擇TVS鉗位電壓VC；

(3)選擇TVS的功率；

(4)評(píng)估漏電流Ir的影響；

(5)評(píng)估結(jié)電容的影響；

選擇TVS最高工作電壓Vrmw；

在電路正常工作情況下，TVS 應(yīng)該是不工作的，即處于截止?fàn)顟B(tài)，所以 TVS 的截止電壓應(yīng)大于被保護(hù)電路的最高工作電壓。這樣才能保證 TVS 在電路正常工作下不會(huì)影響電路工作。但是 TVS 的工作電壓高低也決定了 TVS 鉗位電壓的高低，在截止電壓大于線路正常工作電壓的情況下，TVS 工作電壓也不能選取的過(guò)高，如果太高，鉗位電壓也會(huì)較高，所以在選擇 Vrwm 時(shí)，要綜合考慮被保護(hù)電路的工作電壓及后級(jí)電路的承受能力。要求Vrwm要大于工作電壓，否則工作電壓大于Vrwm會(huì)導(dǎo)致TVS反向漏電流增大，接近導(dǎo)通，或者雪崩擊穿，影響正常電路工作。綜合考慮，Vrwm可以參考以下的公式：

Vrwm≈1.1~1.2*VCC ；--------其中VCC為電路的最高工作電壓。

選擇選擇TVS鉗位電壓VC；

TVS 鉗位電壓應(yīng)小于后級(jí)被保護(hù)電路最大可承受的瞬態(tài)安全電壓，VC 與 TVS 的雪崩擊穿電壓及 I PP 都成正比。對(duì)于同一功率等級(jí)的 TVS，其擊穿電壓越高 V C 也越高，所選TVS的最大箝位電壓Vc不能大于被防護(hù)電路可以承受的最大電壓。否則，當(dāng)TVS鉗在Vc時(shí)會(huì)對(duì)電路造成損壞。Vc可以參考以下的公式：

VC＜Vmax ；-----其中Vmax為電路能承受的最高電壓.

選擇TVS的功率Pppm（或者Ipp）；

TVS 產(chǎn)品的額定瞬態(tài)功率應(yīng)大于電路中可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率，理論上，TVS的功率越大越好，能夠承受更多的沖擊能量和次數(shù)，但是功率越高，TVS的封裝越大，價(jià)錢也越高，所以，TVS的功率滿足要求即可。對(duì)于不同功率等級(jí)的 TVS，相同電壓規(guī)格的 TVS 其 V C 值是一樣的，只是 I PP 不同。故 Pppm 與 Ippm成正比，Ippm 越大，Pppm 也越大。

對(duì)于某一電路 ，有對(duì)應(yīng)的測(cè)試要求，設(shè)實(shí)際電路中的最大測(cè)試電流為 Iactual ，則 Iactual 可估算為：

Iactual=Uactual/Ri；---------其中 Uactual 為測(cè)試電壓，Ri為測(cè)試內(nèi)阻。

TVS 要通過(guò)測(cè)試，故實(shí)際電路中要求 10/1000μs 波形下 TVS 的最小功率 P actual 為：-------其中di/dt為波形轉(zhuǎn)換系數(shù)，如實(shí)際測(cè)試波形為其他波形，如 8/20μs波形，建議di/dt取，如測(cè)試波形為 10/1000μs，取，實(shí)際選型中，TVS 應(yīng)留有一定的裕量，TVS 的功率PPMP 選擇應(yīng)遵循Pppm＞Pactual。

根據(jù)所選的TVS的結(jié)電容和漏電流評(píng)估影響

如果TVS 用在高速IO端口防護(hù)、模擬信號(hào)采樣、低功耗設(shè)備場(chǎng)合，就需要考慮結(jié)電容和漏電流的影響，兩則的參數(shù)越小越好。

04

TVS選型距離

數(shù)據(jù)都是無(wú)趣的，我們以實(shí)際的案例舉例。

電路的正常工作電壓VCC是24V，最高工作電壓Vmax是26V,后級(jí)電路可承受的最高瞬態(tài)電壓為50V，實(shí)驗(yàn)的測(cè)試波形為 8/20μs波形，測(cè)試電壓500V，測(cè)試電源內(nèi)阻及PPTC的靜態(tài)電阻合計(jì)為2Ω。根據(jù)上述信息選擇合適的TVS。

圖4 ：設(shè)計(jì)舉例

1)選擇TVS最高工作電壓

Vrmw≈1.1~1.2*VCC=26~28V

2)選擇選擇TVS鉗位電壓

VC＜Vmax=50V

3)計(jì)算實(shí)際測(cè)試波形功率：

Pact=Vc**=50*（500/3）*1/2=4166W

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以選用5.0SMDJ26A這個(gè)TVS，由于這個(gè)TVS用在電源端口，結(jié)電容和漏電流基本可以忽略不計(jì)。

圖5 ：5.0SMDJ26A TVS關(guān)鍵參數(shù)

審核編輯：郭婷