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TVS二極體與常見的穩壓二極體的工作原理相似,如果高於標誌上的擊穿電壓,TVS二極體就會導通,與穩壓二極體相比,TVS二極體有更高的電流導通能力。TVS二極體的兩極受到反向瞬態高能量衝擊時,以10-12S量級速度,將其兩極間的高阻抗變為低阻抗,同時吸收高達數千瓦的浪涌功率。使兩極間的電壓箝位於一個安全值,有效地保護電子線路中的精密元器件免受浪涌脈衝的破壞。

1 TVS二極體 -簡介

TVS二極體TVS二極體
  TVS二極體與常見的穩壓二極體的工作原理相似,如果高於標誌上的擊穿電壓,TVS二極體就會導通,與穩壓二極體相比,TVS二極體有更高的電流導通能力。TVS二極體的兩極受到反向瞬態高能量衝擊時,以10-12S量級速度,將其兩極間的高阻抗變為低阻抗,同時吸收高達數千瓦的浪涌功率。使兩極間的電壓箝位於一個安全值,有效地保護電子線路中的精密元器件免受浪涌脈衝的破壞。

2 TVS二極體 -TVS器件的特點

  一、 TVS器件的工作原理 瞬態(瞬變)電壓抑制二級管簡稱TVS器件,在規定的反嚮應用條件下,當承受一個高能量的瞬時過壓脈衝時,其工作阻抗能立即降至很低的導通值,允許大電流通過,並將電壓箝制到預定水平,從而有效地保護電子線路中的精密元器件免受損壞。TVS能承受的瞬時脈衝功率可達上千瓦,其箝位響應時間僅為1ps(10^-12S)。TVS允許的正向浪涌電流在T =25℃,T=10ms條件下,可達50~200A 。 雙向TVS可在正反兩個方向吸收瞬時大脈衝功率,並把電壓箝制到預定水平,雙向TVS適用於交流電路,單向TVS一般用於直流電路。

二、TVS器件的電特性

  1、單向TVS的V-I特性,單向TVS的正向特性與普通穩壓二極體相同,反向擊穿拐點近似「直角」為硬擊穿,為典型的PN結雪崩器件。從擊穿點到VC值所對應的曲線段表明,當有瞬時過壓脈衝時,器件的電流急驟增加而反向電壓則上升到箝位電壓值,並保持在這一水平上。

  2、雙向TVS的V-I特性,雙向TVS的V-I特性曲線如同兩隻單向TVS「背靠背」組合,其正反兩個方向都具有相同的雪崩擊穿特性和箝位特性,正反兩面擊穿電壓的對稱關係為:0.9≤V(BR)(正) /V(BR)(反) ≤1.1,一旦加在它兩端的干擾電壓超過箝位電壓Vc就會立刻被抑制掉,雙向TVS在交流迴路應用十分方便。

三、TVS器件的主要電參數

  1、 擊穿電壓V(BR) 器件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,在此區域內,二極體成為低阻抗的通路。

  2、 最大反向脈衝峰值電流IPP 在反向工作時,在規定的脈衝條件下,器件允許通過的最大脈衝峰值電流。IPP與最大箝位電壓Vc(MAX)的乘積,就是瞬態脈衝功率的最大值。 使用時應正確選取TVS,使額定瞬態脈衝功率PPR大於被保護器件或線路可能出現的最大瞬態浪涌功率。 當瞬時脈衝峰值電流出現時,TVS被擊穿,並由擊穿電壓值上升至最大箝位電壓值,隨著脈衝電流呈指數下降,箝位電壓亦下降,恢復到原來狀態。因此,TVS能抑制可能出現的脈衝功率的衝擊,從而有效地保護電子線路。 峰值電流波形 A、正弦半波 B、矩形波 C 、標準波(指數波形) D、三角波 TVS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后,下降到0.5IPP值的時間。下面列出典型試驗波形的TR/TP值: A、EMP波:10ns /1000ns B、閃電波:8μs /20μs C、標準波:10μs /1000μs

  3、 最大反向工作電壓VRWM(或變位電壓)器件反向工作時,在規定的IR下,器件兩端的電壓值稱為最大反向工作電壓VRWM。通常VRWM =(0.8~0.9)V (BR) 。在這個電壓下,器件的功率消耗很小。使用時,應使VRWM 不低於被保護器件或線路的正常工作電壓。

  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為係數。 即:箝位係數=Vc(max )/V(BR) 一般箝位係數為1.3左右。 最大箝位電壓VC(max )的測試方法見4.4。

  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與經受浪涌的脈衝波形有關,用功率係數K1表示,各種浪涌波形的K1值如表1所示。 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,浪涌通常是重複地出現,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,當TVS用於高阻抗電路時,這個漏電流是一個重要的參數。

  TVS器件按極性可分為單極性和雙極性兩種;按用途可分為通用型和專用型;按封裝和內部結構可分為軸向引線二極體、雙列直插TVS陣列、貼片式和大功率模塊等。軸向引線的產品峰值功率可達400 W、500 W、600W、1500W和5 000W。其中大功率的產品主要用在電源饋線上,低功率產品主要用在高密度安裝場合。對於高密度安裝的場合,也可以選擇雙列直插和表面貼裝等封裝形式。

四、TVS器件的選用

  在選用TVS時,應考慮以下幾個主要因素:

  (1)若TVS有可能承受來自兩個方向的尖峰脈衝電壓(浪涌電壓)衝擊時,應當選用雙極性的,否則可選用單極性。

  (2)所選用TVS的Vc值應低於被保護元件的最高電壓。Vc是二極體在截止狀態的電壓,也就是在ESD衝擊狀態時通過TVS的電壓,它不能大於被保護迴路的可承受極限電壓,否則器件面臨被損壞的危險。

  (3)TVS在正常工作狀態下不要處於擊穿狀態,最好處於VR以下,應綜合考慮VR和VC兩方面的要求來選擇適當的TVS。

  穩壓管

  (4)如果知道比較準確的浪涌電流IPP,則可利用VCIpp來確定功率;如果無法確定IPP的大致範圍,則選用功率大些的TVS為好。PM是TVS能承受的最大峰值脈衝功率耗散值。在給定的最大箝位電壓下,功耗PM越大,其浪涌電流的承受能力越大;在給定的功耗PM下,箝位電壓VC越低,其浪涌電流的承受能力越大。另外,峰值脈衝功耗還與脈衝波形、持續時間和環境溫度有關。 (5)TVS所能承受的瞬態脈衝是不重複的,器件規定的脈衝重複頻率(持續時間與間歇時間之比)為0.01%。如果電路內出現重複性脈衝,應考慮脈衝功率的累積,不然有可能損壞TVS。

  (6)對於小電流負載的保護,可有意識地在線路中增加限流電阻,只要限流電阻的阻值適當,一般不會影響線路的正常工作,但限流電阻對干擾所產生的電流卻會大大減小。但這樣可能選用峰值功率較小的TVS管來對小電流負載線路進行保護。

  (7)電容量C是由TVS雪崩結截面決定的,這是在特定的1 MHz頻率下測得的。C的大小與TVS的電流承受能力成正比,C太大將使信號衰減。因此,C是數據介面電路選用TVS的重要參數。對於數據/信號頻率越高的迴路,二極體的電容對電路的干擾越大,形成雜訊或衰減信號強度也大,因此,需要根據迴路的特性來決定所選器件的電容範圍。高頻迴路一般選擇電容應盡量小(如LCTVS、低電容TVS,電容不大於3 pF),而對電容要求不高的迴路,電容的容量選擇可高於40 pF。

  (8)為了滿足IEC61000-4-2國際標準,TVS二極體必須達到可以處理最小8 kV(接觸)和15 kV(空氣)的ESD衝擊,有的半導體生產廠商在自己的產品上使用了更高的抗衝擊標準。而對於某些有特殊要求的便攜設備應用,設計者可以按需要挑選器件。

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