TVS如何對(duì)電路元件進(jìn)行快速過(guò)電壓保護(hù)

一、TVS管使用場(chǎng)景

TVS主要用于對(duì)電路元件進(jìn)行快速過(guò)電壓保護(hù)。它能"吸收"功率高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌信號(hào)。TVS具有體積小、功率大、響應(yīng)快、無(wú)噪聲、價(jià)格低等諸多優(yōu)點(diǎn),它的應(yīng)用十分廣泛，如:家用電器;電子儀器;儀表;精密設(shè)備;計(jì)算機(jī)系統(tǒng);通訊設(shè)備;RS232、485及 CAN等通訊端口;ISDN的保護(hù);I/O端口;IC電路保護(hù);音、視頻輸入;交、直流電源;電機(jī)、繼電器噪聲的抑制等各個(gè)領(lǐng)域。也可以有效地對(duì)雷電、負(fù)載開關(guān)等人為操作錯(cuò)誤引起的過(guò)電壓沖擊起保護(hù)作用。

TVS管通常用于保護(hù)器件，防止線路中的瞬間脈沖干擾打壞器件，干擾信號(hào)。TVS管能在很短的時(shí)間導(dǎo)通并把瞬態(tài)脈沖電壓鉗在一個(gè)穩(wěn)定值，原理如下圖。常見的瞬間脈沖主要包括：靜電放電，接口插拔瞬間，浪涌，開關(guān)電源噪聲等。

圖片

二、TVS管參數(shù)及解釋

參考LRC公司型號(hào)LESD5Z5.0T1G的TVS管，規(guī)格書中一般會(huì)給出以下表格：

圖片

圖片

我們重點(diǎn)關(guān)注幾個(gè)主要選型參數(shù)：

VRWM：反向工作電壓，即電路正常工作時(shí)TVS管兩端所設(shè)的最大電壓，被保護(hù)的電路或器件正常工作電壓應(yīng)小于VRWM，否則正常工作就觸發(fā)TVS管，這是不合理的。

VBR：擊穿電壓/血崩電壓，即TVS管被擊穿而引發(fā)雪崩效應(yīng)(阻抗驟然降低)的電壓值，通常這個(gè)值為1.1~1.3倍的VRWM。選型中不太需要關(guān)注這個(gè)值。

VC：最大鉗位電壓，施加規(guī)定波形的脈沖電流Ipp時(shí)，在TVS管兩端的最大電壓，即管子能將脈沖電壓限制在這個(gè)值以下，以保護(hù)器件。選型時(shí)要使VC小于器件/引腳的最大耐壓值，否則TVS管加了等于沒(méi)加。

IR：最大反向漏電流(VRWM條件下)，即電路正常工作時(shí)流經(jīng)管子的最大漏電流。

Ipp：最大反向浪涌峰值電流，即遇到瞬間脈沖干擾時(shí)能夠流過(guò)的最大電流值，這個(gè)值越大表示抑制浪涌能力越強(qiáng)。最大峰值電流對(duì)應(yīng)最大鉗位電壓。

Ppp：最大峰值脈沖功率，通常來(lái)說(shuō) 峰值脈沖功率=峰值脈沖電流x最大鉗位電壓。但其還與脈沖波形，環(huán)境溫度，持續(xù)時(shí)間有關(guān)，所以規(guī)格書一般不相等。以規(guī)格書為準(zhǔn)。峰值脈沖功率選擇時(shí)，要大于電路中可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率。

Cj：極間電容，即TVS管引腳的寄生電容。在信號(hào)傳輸電路保護(hù)時(shí)，信號(hào)速率越高，極間電容應(yīng)越小。電容選擇建議如下圖：

圖片

三、TVS管工作選型

查各種資料，對(duì)上述的關(guān)鍵參數(shù)選型建議都比較一致：

VRWM應(yīng)大于被保護(hù)電路的最大工作電壓

VC應(yīng)小于被保護(hù)電路的最大耐壓

Ppp應(yīng)大于被保護(hù)電路中可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率

Ipp應(yīng)大于被保護(hù)電路中可能出現(xiàn)的瞬態(tài)浪涌電流

Cj越小越好

VRWM和VC好選，電路中的最大工作電壓和引腳的最大耐壓都是具體明確的數(shù)值，對(duì)著數(shù)值選即可。Cj也好選，通常在高速信號(hào)接口會(huì)特別關(guān)注Cj，根據(jù)上面的選擇建議選就好。

那么，對(duì)著類似于下面的參數(shù)選型表格，Ipp和Ppp到底怎么選呢?理應(yīng)先確定電路的干擾脈沖情況,根據(jù)干擾脈沖的波形、脈沖持續(xù)時(shí)間,確定能夠有效抑制該干擾的TVS峰值脈沖功率再去選。但是可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率和瞬態(tài)浪涌電流又是多少呢?這幾個(gè)參數(shù)多少有點(diǎn)讓人感覺云里霧里。

圖片

回到開頭，我們說(shuō)到了TVS管主要用于針對(duì)靜電放電，浪涌的電路保護(hù)。如果說(shuō)TVS管是用來(lái)防靜電的，用在接口處或產(chǎn)品與用戶經(jīng)常接觸的地方如按鍵，外部通信接口。那么關(guān)注的參數(shù)就是器件本身的特性參數(shù)，如下圖所示：

圖片

可以發(fā)現(xiàn)廠家其實(shí)已經(jīng)給出了管子能夠保護(hù)的范圍，這樣的話就根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際的靜電或浪涌測(cè)試需求來(lái)選擇管子，不用非要按照脈沖功率，峰值電流來(lái)進(jìn)行計(jì)算，這樣還要去弄根據(jù)靜電標(biāo)準(zhǔn)，EFT，浪涌標(biāo)準(zhǔn)以及功率，這樣計(jì)算選型實(shí)則大大降低了產(chǎn)品開發(fā)效率。

如果知道比較準(zhǔn)確的浪涌電流Ipp，那么可以利用VC來(lái)確定其功率。如果無(wú)法確定功率和峰值電流的大概范圍，一般來(lái)說(shuō)，滿足基本條件(VRWM，VC，Cj)的情況下，選擇功率和電流大一些的比較好。

除了關(guān)鍵性能參數(shù)，還有極性選擇，封裝選擇等選擇依據(jù)。

單極性還是雙極性：常常會(huì)出現(xiàn)這樣的誤解即雙向TVS用來(lái)抑制反向浪涌脈沖，其實(shí)并非如此。雙向TVS用于交流電或來(lái)自正負(fù)雙向脈沖的場(chǎng)合。TVS有時(shí)也用于減少電容。如果電路只有正向電平信號(hào)，那么單向TVS就足夠了。TVS操作方式如下：正向浪涌時(shí),TVS處于反向雪崩擊穿狀態(tài);反向浪涌時(shí)，TVS類似正向偏置二極管一樣導(dǎo)通并吸收浪涌能量。在低電容電路里情況就不是這樣了。應(yīng)選用雙向TVS以保護(hù)電路中的低電容器件免受反向浪涌的損害。

封裝：有些通信接口同時(shí)需要多根線(2根，4根或更多)，如果使用單個(gè)的TVS管就需要并相同數(shù)量的管子，占用PCB空間。而選擇集成封裝(DNF)的TVS管通常有多路，使用較少的器件就可以。

四、總結(jié)

TVS設(shè)計(jì)出來(lái)的目的就是為了能夠有效的抑制那些非常高的瞬態(tài)電壓，如靜電、浪涌。能夠讓這些具有破壞性的能量限制在一定水平，從而保護(hù)產(chǎn)品。所以可以看出，這些器件的真正意義是為了產(chǎn)品在實(shí)際使用中和測(cè)試時(shí)出現(xiàn)的過(guò)壓保護(hù)。實(shí)際做產(chǎn)品的過(guò)程中需要考慮的因素太多，無(wú)法顧全實(shí)現(xiàn)完美設(shè)計(jì)，考慮最關(guān)鍵的參數(shù)，給足余量，參考其他產(chǎn)品以及出貨的情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)，才是工程師要做的事。