TVS的反向脈沖峰值功率PPR與經(jīng)受浪涌的脈沖波形的關(guān)系

瞬態(tài)抑制二極管(TVS)又叫箝位型二極管，是目前國際上普遍使用的一種高效能電路保護器件，它的外型與普通二極管相同，但卻能吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率，它的主要特點是在反向應用條件下，當承受一個高能量的大脈沖時，其工作阻抗立即降至極低的導通值，從而允許大電流通過，同時把電壓箝制在預定水平，其響應時間僅為10-12毫秒，因此可有效地保護電子線路中的精密元器件。TVS允許的正向浪涌電流在TA=250C，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沖功率，并把電壓箝制到預定水平，雙向TVS適用于交流電路，單向TVS一般用于直流電路?？捎糜诜览讚簟⒎肋^電壓、抗干擾、吸收浪涌功率等，是一種理想的保護器件。耐受能力用瓦特(W)表示。

TVS器件的電特性

(1)單向TVS的V-I特性

如圖1所示，單向TVS的正向特性與普通穩(wěn)壓二極管相同，反向擊穿拐點近似“直角”為硬擊穿，為典型的PN結(jié)雪崩器件。從擊穿點到VC值所對應的曲線段表明，當有瞬時過壓脈沖時，器件的電流急驟增加而反向電壓則上升到箝位電壓值，并保持在這一水平上。

(2)雙向TVS的V-I特性

如圖2所示，雙向TVS的V-I特性曲線如同兩只單向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(guān)系為：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在交流回路應用十分方便。

TVS器件的主要電參數(shù)

(1)擊穿電壓V(BR)

器件在發(fā)生擊穿的區(qū)域內(nèi)，在規(guī)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(qū)域內(nèi)，二極管成為低阻抗的通路。

(2)最大反向脈沖峰值電流IPP

在反向工作時，在規(guī)定的脈沖條件下，器件允許通過的最大脈沖峰值電流。IPP與最大箝位電壓VC(MAX)的乘積，就是瞬態(tài)脈沖功率的最大值。

使用時應正確選取TVS，使額定瞬態(tài)脈沖功率PPR大于被保護器件或線路可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率。

圖3表明當瞬時脈沖峰值電流出現(xiàn)時，TVS被擊穿，并由擊穿電壓值上升至最大箝位電壓值，隨著脈沖電流呈指數(shù)下降，箝位電壓亦下降，恢復到原來狀態(tài)。因此，TVS能抑制可能出現(xiàn)的脈沖功率的沖擊，從而有效地保護電子線路。

TVS峰值電流的試驗波形采用標準波(指數(shù)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。其波形如圖4所示。

(3)最大反向工作電壓VRWM(或變位電壓)

器件反向工作時，在規(guī)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不低于被保護器件或線路的正常工作電壓。

(4)最大箝位電壓VC(max )

在脈沖峰值電流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 )不高于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系數(shù)。即：

箝位系數(shù)=VC(max )/V(BR)

一般箝位系數(shù)為1.3左右。

(5)反向脈沖峰值功率PPR

TVS的PPR取決于脈沖峰值電流IPP和最大箝位電壓VC(max )，除此以外，還和脈沖波形、脈沖時間及環(huán)境溫度有關(guān)。當脈沖時間Tp 一定時，PPR=K1??????K2?VC(max )?Ipp

式中K1為功率系數(shù)，K2為功率的溫度系數(shù)。

典型的脈沖持續(xù)時間tp 為1MS，當施加到瞬態(tài)電壓抑制二極管上的脈沖時間tp 比標準脈沖時間短時，其脈沖峰值功率將隨tp 的縮短而增加。

圖5給出了PPR 與tp的關(guān)系曲線。TVS的反向脈沖峰值功率PPR與經(jīng)受浪涌的脈沖波形有關(guān)，用功率系數(shù)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)為脈沖電流波形，V(t) 為箝位電壓波形。

這個額定能量值在極短的時間內(nèi)對TVS是不可重復施加的。但是，在實際的應用中，浪涌通常是重復地出現(xiàn)，在這種情況下，即使單個的脈沖能量比TVS器件可承受的脈沖能量要小得多，但若重復施加，這些單個的脈沖能量積累起來，在某些情況下，也會超過TVS器件可承受的脈沖能量。因此，電路設(shè)計必須在這點上認真考慮和選用TVS器件，使其在規(guī)定的間隔時間內(nèi)，重復施加脈沖能量的累積不至超過TVS器件的脈沖能量額定值。

(6)電容CPP

TVS的電容由硅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用于高阻抗電路時，這個漏電流是一個重要的參數(shù)。

TVS二極管的分類

TVS器件可以按極性分為單極性和雙極性兩種，按用途可分為各種電路都適用的通用型器件和特殊電路適用的專用型器件。如：各種交流電壓保護器、4~200mA電流環(huán)保器、數(shù)據(jù)線保護器、同軸電纜保護器、電話機保護器等。若按封裝及內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為：軸向引線二極管、雙列直插TVS陣列(適用多線保護)、貼片式、組件式和大功率模塊式等。

TVS二極管的應用

目前已廣泛應用于計算機系統(tǒng)、通訊設(shè)備、交/直流電源、汽車、電子鎮(zhèn)流器、家用電器、儀器儀表(電度表)、RS232/422/423/485、I/O、LAN、ISDN、ADSL、USB、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM、數(shù)字照相機的保護、共模/差模保護、RF耦合/IC驅(qū)動接收保護、電機電磁波干擾抑制、聲頻/視頻輸入、傳感器/變速器、工控回路、繼電器、接觸器噪音的抑制等各個領(lǐng)域。

TVS二極管的特點

(1)將TVS二極管加在信號及電源線上，能防止微處理器或單片機因瞬間的肪沖，如靜電放電效應、交流電源之浪涌及開關(guān)電源的噪音所導致的失靈。

(2)靜電放電效應能釋放超過10000V、60A以上的脈沖，并能持續(xù)10ms;而一般的TTL器件，遇到超過30ms的10V脈沖時，便會導至損壞。利用TVS二極管，可有效吸收會造成器件損壞的脈沖，并能消除由總線之間開關(guān)所引起的干擾(Crosstalk)。

(3)將TVS二極管放置在信號線及接地間，能避免數(shù)據(jù)及控制總線受到不必要的噪音影響。

TVS的選用技巧

(1)確定被保護電路的最大直流或連續(xù)工作電壓、電路的額定標準電壓和“高端”容限。

(2)TVS額定反向關(guān)斷VWM應大于或等于被保護電路的最大工作電壓。若選用的VWM太低，器件可能進入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。串行連接分電壓，并行連接分電流。

(3)TVS的最大箝位電壓VC應小于被保護電路的損壞電壓。

(4)在規(guī)定的脈沖持續(xù)時間內(nèi)，TVS的最大峰值脈沖功耗PM必須大于被保護電路內(nèi)可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。在確定了最大箝位電壓后，其峰值脈沖電流應大于瞬態(tài)浪涌電流。

(5)對于數(shù)據(jù)接口電路的保護，還必須注意選取具有合適電容C的TVS器件。

(6)根據(jù)用途選用TVS的極性及封裝結(jié)構(gòu)。交流電路選用雙極性TVS較為合理;多線保護選用TVS陣列更為有利。

(7)溫度考慮。瞬態(tài)電壓抑制器可以在-55℃～+150℃之間工作。如果需要TVS在一個變化的溫度工作，由于其反向漏電流ID是隨增加而增大;功耗隨TVS結(jié)溫增加而下降，從+25℃～+175℃，大約線性下降50%雨擊穿電壓VBR隨溫度的增加按一定的系數(shù)增加。因此，必須查閱有關(guān)產(chǎn)品資料，考慮溫度變化對其特性的影響。