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[導(dǎo)讀]摘要:介紹了瞬態(tài)電壓抑制器的工作原理、特性參數(shù)以及使用方法。舉例說明了在開關(guān)電源浪涌消除上的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞:浪涌瞬態(tài)電壓抑制器開關(guān)電源   消除噪聲干擾、防止浪涌損害一直是電子設(shè)備設(shè)計(jì)者頭痛的一件事。瞬

摘要:介紹了瞬態(tài)電壓抑制器的工作原理、特性參數(shù)以及使用方法。舉例說明了在開關(guān)電源浪涌消除上的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:浪涌瞬態(tài)電壓抑制器開關(guān)電源  

 

消除噪聲干擾、防止浪涌損害一直是電子設(shè)備設(shè)計(jì)者頭痛的一件事。瞬態(tài)電壓抑制器(TVS:transientvoltagesuppressor)可以方便地解決這些問題。

 

當(dāng)TVS兩極受到反向高能量沖擊時(shí),它能以10-12s級(jí)的速度,將其兩極間的阻抗由高變低,吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率,使兩極間的電位箝位于預(yù)定值,有效地保護(hù)電子設(shè)備中的元器件免受浪涌脈沖的損害。TVS具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓容易控制、體積小等優(yōu)點(diǎn),目前已廣泛應(yīng)用于家用電器、電子儀表、通訊設(shè)備、電源、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域。

 

1TVS的特性和主要參數(shù)

 

 

圖1TVS電壓-電流特性

 

1?1TVS的特性

 

TVS的電路符號(hào)和普通的穩(wěn)壓管相同。其電壓—電流特性曲線如圖1所示。

 

其正向特性與普通二極管相同,反向特性為典型的PN結(jié)雪崩器件。圖2是TVS的電流—時(shí)間和電壓—時(shí)間曲線。在浪涌電壓的作用下,TVS兩極間的電壓由額定反向關(guān)斷電壓VWM上升到擊穿電壓VBR,而被擊穿。隨著擊穿電流的出現(xiàn),流過TVS的電流將達(dá)到峰值脈沖電流IPP,同時(shí)在其兩端的電壓被箝位到預(yù)定的最大箝位電壓VC以下。其后,隨著脈沖電流按指數(shù)衰減,TVS兩極間的電壓也不斷下降,最后恢復(fù)到初態(tài),這就是TVS抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖功率,保護(hù)電子元器件的過程。

 

1?2TVS的主要參數(shù)

 

(1)最大反向漏電流ID和額定反向關(guān)斷電壓VWM

 

VWM是TVS最大連續(xù)工作的直流或脈沖電壓,當(dāng)這個(gè)反向電壓加于TVS的兩極間時(shí)它處于反向關(guān)斷狀態(tài),流過它的電流應(yīng)小于或等于其最大反向漏電流ID。

 

(2)最小擊穿電壓VBR和擊穿電流IR

 

VBR是TVS最小的擊穿電壓。在25℃時(shí),低于這個(gè)電壓TVS是不會(huì)發(fā)生雪崩的。當(dāng)TVS流過規(guī)定的1mA電流(IR)時(shí),加于TVS兩極的電壓為其最小擊

 

 

圖2TVS電壓(電流)時(shí)間特性

 

穿電壓VBR。按TVS的VBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度,可把VBR分為5%和10%兩種。對(duì)于5%的VBR來說,VWM=0.85VBR;對(duì)于10%的VBR來說,VWM=0.81VBR。

 

(3)最大箝位電壓VC和最大峰值脈沖電流IPP

 

當(dāng)持續(xù)時(shí)間為20μs的脈沖峰值電流IPP流過TVS時(shí),在其兩端出現(xiàn)的最大峰值電壓為VC。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC與VBR之比稱為箝位因子,一般在1.2~1.4之間。

 

(4)電容量C

 

電容量C是由TVS雪崩結(jié)截面決定的,是在特定的1MHz頻率下測(cè)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(hào)衰減。因此,C是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS的重要參數(shù)。

 

(5)最大峰值脈沖功耗PM

 

PM是TVS能承受的最大峰值脈沖功率耗散值。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,峰值脈沖功耗還與脈沖波形、持續(xù)時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)。而且,TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重復(fù)的,器件規(guī)定的脈沖重復(fù)頻率(持續(xù)時(shí)間與間歇時(shí)間之比)為0?01%。如果電路內(nèi)出現(xiàn)重復(fù)性脈沖,應(yīng)考慮脈沖功率的累積,有可能損壞TVS。

(6)箝位時(shí)間tc

 

tc是從零到最小擊穿電壓VBR的時(shí)間。對(duì)單極性TVS小于1×10-12s;對(duì)雙極性TVS小于10×10-12s。

 

2TVS的分類

 

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(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為:軸向引線二極管、雙列直插TVS陣列、貼片式和大功率模塊等。軸向引線的產(chǎn)品峰值功率可以達(dá)到400W、500W、600W、1500W和5000W。其中大功率的產(chǎn)品主要用在電源饋線上,低功率產(chǎn)品主要用在高密度安裝的場(chǎng)合。對(duì)于高密度安裝的場(chǎng)合還可以選擇雙列直插和表面貼裝的封裝形式。

 

3TVS的選用指南

 

(1)確定被保護(hù)電路的最大直流或連續(xù)工作電

 

壓,電路的額定標(biāo)準(zhǔn)電壓和最大可承受電壓。

 

(2)TVS的額定反向關(guān)斷電壓VWM應(yīng)大于或等于

 

被保護(hù)電路的最大工作電壓。若選用的VWM太低,器件可能進(jìn)入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。

 

(3)TVS的最大反向箝位電壓VC應(yīng)小于被保護(hù)

 

電路的損壞電壓。

 

(4)在規(guī)定的脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi),TVS的最大峰值

 

脈沖功率PM必須大于被保護(hù)電路可能出現(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(yīng)大于瞬態(tài)浪涌電流。一般TVS的最大峰值脈沖功率是以10/1000μs的非重復(fù)脈沖給出的,而實(shí)際的脈沖寬度是由脈沖源決定的,當(dāng)脈沖寬度不同時(shí)其峰值功率也不同。如某600WTVS,對(duì)1000μs脈寬最大吸收功率為600W,但是對(duì)50μs脈寬吸收功率就可達(dá)到2100W,而對(duì)10ms的脈寬最大吸收功率就只有200W了。而且吸收功率還和脈沖波形有關(guān):如果是半個(gè)正弦波形式的脈沖,吸收功率就要減到75%,若是方波形式的脈沖,吸收功率就要減到66%。

 

(5)平均穩(wěn)態(tài)功率的匹配

 

對(duì)于需要承受有規(guī)律的、短暫的脈沖群沖擊的TVS,如應(yīng)用在繼電器、功率開關(guān)或電機(jī)控制等場(chǎng)合,有必要引入平均穩(wěn)態(tài)功率的概念。舉例說明,在一功率開關(guān)電路中會(huì)產(chǎn)生120Hz,寬度為4μs,峰值電流為25A的脈沖群。選用的TVS可以將單個(gè)脈沖的電壓箝位到11?2V。此中平均穩(wěn)態(tài)功率的計(jì)算為:脈沖時(shí)間間隔等于頻率的倒數(shù),1/120=0.0083s,峰值吸收功率是箝位電壓與脈沖電流的乘積11.2V×25A=280W,平均功率則為峰值功率與脈沖寬度對(duì)脈沖間隔比值的乘積,即280×(0.000004s/0.0083s)=0.134W。也就是說,選用的TVS平均穩(wěn)態(tài)功率必須大于0.134W。

 

(6)對(duì)于數(shù)據(jù)接口電路的保護(hù),還必須注意選取

 

具有合適電容C的TVS器件。

(7)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(hù)選用TVS陣列更為有利。

 

(8)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(gè)變化的溫度下工作,由于其反向漏電流ID是隨溫度增加而增大;功耗隨TVS結(jié)溫增加而下降,從+25℃到+175℃,大約線性下降50%;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(duì)其特性的影響。

 

4TVS與壓敏電阻的比較

 

目前,國(guó)內(nèi)不少需要進(jìn)行浪涌保護(hù)的設(shè)備上仍然

 

使用的是壓敏電阻。壓敏電阻是一種金屬氧化物變阻器,TVS比壓敏電阻的性能優(yōu)越得多,其性能比較列于表1。

 

表1TVS與壓敏電阻性能比較 
 

關(guān)鍵參數(shù)或極限值 TVS 壓敏電阻
反應(yīng)速度 10-12s 50×10-9s
是否老化
最高使用溫度 175℃ 115℃
器件極性 單極性和雙極性 單極性
反向漏電流典型值 5μA 200μA
箝位因子VC/VBR 不大于1?5 最大可達(dá)7~8
封閉性質(zhì) 密封,不透氣 透氣
價(jià)格 較貴 便宜

5TVS的命名

市場(chǎng)上能見到如下系列的TVS管:

SA系列—500W

P6KE,SMBJ系列—600W

1N5629~1N6389,1.5KE,LC,LCE系列—1500W

5KP系列—5000W

15KAP,15KP系列—15000W

其中尤以P6KE和1?5KE系列最為常見,它們的命名規(guī)則如下:

第一部分+第二部分+第三部分

第一部分……P6KE或1?5KE

第二部分……數(shù)字,代表最小擊穿電壓

第三部分……A或CA,A代表單向TVS管;CA代表雙向TVS管

例如,P6KE200A為500W最小擊穿電壓約200V的單向TVS管。

6TVS的應(yīng)用舉例

如圖3所示,為一典型的開關(guān)電源驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)功率開關(guān)管關(guān)斷時(shí),由于開關(guān)變壓器線圈漏感的存在,會(huì)產(chǎn)生極高的反電勢(shì),有可能將功率開關(guān)管擊穿。當(dāng)在開關(guān)變壓器一次側(cè)并接上TVS管后,可以有效地吸收電壓尖峰,保護(hù)功率開關(guān)管的安全,降低對(duì)功率開關(guān)管耐壓的要求。TVS管的選擇如下:

 

220V交流市電經(jīng)整流濾波后變?yōu)楦邏褐绷鞴┙o開關(guān)變壓器,此高壓直流變化范圍是240V~360V,而由于變壓器漏感和引線電感的存在,關(guān)斷過電壓可以高達(dá)幾千伏,功率開關(guān)管關(guān)斷時(shí)難于同時(shí)承受這兩種電壓。綜合考慮可以選用VWM等于200V左右的TVS,這樣將關(guān)斷過電壓控制在300V以內(nèi),加上電源電壓,功率開關(guān)管選用耐壓為700V的管型即可。

下面估算一下TVS管的PM值:

TVS管所耗散的功率也就是電路雜散電感所存儲(chǔ)的功率,故而轉(zhuǎn)求雜散電感存儲(chǔ)功率即可。

PM=PL=E/t=0.5LI2/t

雜散電感一般為幾個(gè)μH,這里取5μH;

100W的開關(guān)電源原邊平均電流I=P/U=100/240=0.417A,設(shè)占空比D為0?5,則最大電流=I/D=0.417/0.5=0.833A,取I=1A;

功率開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)間一般在幾十納秒,取t=10ns,于是有:

PM=0.5×5×10-6×12/10×10-9=250W,由于開關(guān)電源開關(guān)頻率很高,達(dá)到了100kHz以上,考慮脈沖功率的累計(jì),PM應(yīng)成倍擴(kuò)大,結(jié)合PM的標(biāo)稱值取600W。

因此可以選用200V/600W的TVS管。由于僅在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生單向過電壓,故選用單向TVS即可,例如P6KE200A。

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