基于TVS 器件特性參數(shù)及應(yīng)用的探究

鑒于此本文通過分析TVS器件的特性和主要參數(shù)及其工作原理，提出了TVS可以有效的保護(hù)TN電源系統(tǒng)、直流電源、信號線路及晶體管集成電路等，其應(yīng)用范圍廣，且安全可靠，同時(shí)給出了TVS器件在各種電路設(shè)計(jì)中的典型應(yīng)用保護(hù)電路。應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)針對不同的保護(hù)對象及電路的相關(guān)參數(shù)來選用適配元件。

0 引言

電網(wǎng)中的工頻過電壓、諧振過電壓及瞬態(tài)過電壓，包括操作過電壓和雷電過電壓，這些危險(xiǎn)浪涌能量無法瀉放或吸收，而侵入電氣設(shè)備內(nèi)部電路，就能影響電子設(shè)備的正常工作，甚至?xí)龤щ娐?而集成數(shù)字電路容易受ESD/EFT(靜電放電/電快速瞬變脈沖群)等浪涌電壓干擾，可能會(huì)造成工作異常、死機(jī)，甚至損壞并引發(fā)其他的安全問題。利用TVS器件對電路進(jìn)行精細(xì)保護(hù)，可有效地使電子線路中的精密元器件免受各種浪涌脈沖的損壞。本文對TVS器件的特性及應(yīng)用作詳細(xì)分析與研究有重要意義。

1 TVS 的結(jié)構(gòu)及分類

TVS 瞬態(tài)電壓抑制器是在穩(wěn)壓二極管的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，是一種二極管形式的新型高效能保護(hù)器件。

TVS通常采用二極管式的軸向引線封裝結(jié)構(gòu)，TVS的核心單元是芯片，芯片主要材料為半導(dǎo)體硅片或曬片，芯片有單極型和雙極型兩種結(jié)構(gòu)，單極型TVS有一個(gè)PN結(jié)，雙極型TVS有兩個(gè)PN結(jié)。TVS芯片的PN結(jié)經(jīng)玻璃純化保護(hù)由引線引出，再經(jīng)改性環(huán)氧樹脂封裝制成。

TVS瞬態(tài)電壓抑制器有單極性與雙極性之分，單極性只對一個(gè)方向的浪涌電壓沖擊起保護(hù)作用，雙極性瞬態(tài)二極管對相反的極性浪涌電壓沖擊都起保護(hù)作用，相當(dāng)于兩只穩(wěn)壓管反向串聯(lián)，它優(yōu)點(diǎn)是結(jié)電容小，響應(yīng)時(shí)間短，功率大。單向TVS多用于直流和已知方向的信號電路，雙極性TVS 多用于交流和變化的信號電路，TVS陣列多用于多線保護(hù)。TVS管也可以與二極管串聯(lián)，利用二極管寄生電容較小的特點(diǎn)來降低總寄生電容，可以實(shí)現(xiàn)對高速信號端口的保護(hù)。TVS串行接入電路可以分電壓，并行接入可以分電流，但在應(yīng)用中應(yīng)控制串/并數(shù)量，TVS在應(yīng)用過程中必須考慮環(huán)境溫度及溫度變化情況對TVS特性的影響，因?yàn)闇囟壬仙龝?huì)使TVS反向漏電流增加，功耗下降。另外，TVS按峰值功率可分為500 W,1 000 W,1 500 W,5 000 W等多種型號。

2 TVS 的主要參數(shù)及選用

2.1 最小擊穿電壓VBR

最小擊穿電壓VBR 等于1 mA 的測試電流通過TVS時(shí)，TVS 兩極的電壓值。VBR 根據(jù)其與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度分為兩種：VBR(5%)與VBR(10%)。

2.2 額定反向工作電壓VWM

TVS反向工作時(shí)，在規(guī)定的IR條件下，TVS兩極的電壓值稱為額定反向工作電壓VWM.一般情況，VWM=(0.8~0.9)VBR,離散度為5%的TVS,VWM=0.85VBR(5%);離散度為10%的TVS,VWM=0.81VBR(10%)。VWM值的選擇要適中，VWM值既要大于等于US(最大持續(xù)工作電壓)，又要與US值相接近，選擇太大或太小都不能安全可靠保護(hù)電路。

2.3 最大反向脈沖峰值電流IPP

TVS 反向工作時(shí)，在規(guī)定的脈沖條件下，TVS 允許通過的最大峰值脈沖電流稱為最大反向脈沖峰值電流，峰值脈沖電流IPP應(yīng)大于電路瞬態(tài)浪涌電流。

2.4 最大鉗位電壓VC

當(dāng)脈沖峰值電流IPP流過TVS時(shí)，其兩極的最大峰值電壓為最大鉗位電壓。VC為TVS的電壓保護(hù)水平，是選用TVS 十分關(guān)鍵的參數(shù)，應(yīng)小于被保護(hù)電路耐壓水平UW,否則TVS 將失去保護(hù)作用。TVS 鉗位系數(shù)等于VC VBR ,鉗位系數(shù)取值一般在1.2~1.4范圍內(nèi)。

2.5 峰值脈沖功率Ppp

峰值脈沖功率等于TVS允許通過的最大峰值脈沖電流IPP 與最大箝位電壓VC 的乘積。Ppp 值與脈沖波形、脈沖時(shí)間及環(huán)境溫度有關(guān)。在應(yīng)用中要根據(jù)電路的特性和工作環(huán)境確定電路預(yù)期瞬態(tài)浪涌電流及可能出現(xiàn)的瞬態(tài)浪涌脈沖功率，峰值脈沖功率Ppp 應(yīng)考慮20%的安全裕量，據(jù)此確定TVS額定脈沖功率Pppm.額定脈沖功率應(yīng)大于被保護(hù)器件或線路可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。同時(shí)，電路設(shè)計(jì)必須認(rèn)真考慮重復(fù)施加脈沖能量的累積，其能量不應(yīng)超過TVS器件的脈沖能量額定值。

2.6 電容C

TVS的電容量由其芯片的面積和偏置電壓來確定，其偏置電壓與電容值C 成反比。在應(yīng)用中要根據(jù)電路持性選擇合適的電容范圍，電容大會(huì)使信號損失，對信號起調(diào)制作用，引起干擾。

2.7 反向漏電流ID

當(dāng)額定反向工作電壓VWM 加于TVS兩極時(shí)，TVS處于反向關(guān)斷狀態(tài)，流過TVS 的電流稱為反向漏電流，ID值應(yīng)小于或等于其最大反向漏電流。

2.8 鉗位響應(yīng)時(shí)間TC

鉗位響應(yīng)時(shí)間是指TVS兩極電壓從零升至最小擊穿電壓VBR的時(shí)間，TVS的TC小于1×10-12 s,僅為1 ps.

3 TVS 的特性分析

3.1 TVS的伏安特性

TVS能保護(hù)晶體管電路，是靠伏安特性起箝位作用，見圖1.當(dāng)TVS管電壓為反偏，且位于0~VBR時(shí)，TVS管呈高電阻狀態(tài);當(dāng)反偏電壓超過VBR時(shí)，流經(jīng)TVS管電流迅速增加，進(jìn)入低電阻導(dǎo)通狀態(tài)，從高電阻狀態(tài)到低電阻狀態(tài)延時(shí)只有ps數(shù)量級。TVS管兩端電壓被箝制在VC以下，經(jīng)過電壓脈沖過后，TVS管又恢復(fù)高阻狀態(tài)。

3.2 TVS的鉗位特性

TVS屬限壓型浪涌保護(hù)器件，能對過電壓起鉗位作用，將浪涌電壓限制在安全耐壓范圍內(nèi)，從而保護(hù)后面的負(fù)載電路。根據(jù)電路的基本理論，按照環(huán)路電壓分析法，從圖2可以看出，電路的輸出電壓Voutput可由式(1)得到：

若設(shè)浪涌電壓Vg為8 kV,Rg為330 Ω，RS為0.14 Ω，TVS的VBR為6 V,則i≈24 A,那么由式(1)得Voutput=10 V.

利用TVS的鉗位特性，將8 kV危險(xiǎn)浪涌電壓削減到10 V的安全電壓。需要注意的是，以上電路應(yīng)滿足Rg>RS+RLoad>RS這一條件。

4 TVS 的應(yīng)用

4.1 TVS在TN電源系統(tǒng)的應(yīng)用

雷電過電壓波、負(fù)載開關(guān)等人為操作錯(cuò)誤引起的過電壓容易通過供電線路侵入電氣電子設(shè)備內(nèi)部，造成電氣電子設(shè)備失效、誤動(dòng)作，甚至造成設(shè)備的永久性損壞，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。通過在電源線路上安裝浪涌吸收裝置MOV 和TVS,實(shí)施兩級保護(hù)，并對L、N 線進(jìn)行共模、差模保護(hù)。具體做法是在線路的前端安裝MOV 作為第一級SPD保護(hù)，泄放大部分雷電流，在線路的末端(設(shè)備前端)安裝大功率TVS作為第二級SPD保護(hù)，進(jìn)一步削弱過電壓波幅值，將電網(wǎng)電壓降至E/I安全耐壓范圍之內(nèi)，如圖3所示。要注意的是，MOV與TVS應(yīng)達(dá)到電壓和能量的協(xié)調(diào)與配合，AB之間的線路長度不應(yīng)小于5 m,否則應(yīng)增加線路長度或安裝退耦器件。

4.2 TVS在網(wǎng)絡(luò)信號線路的應(yīng)用

TVS不僅可以用于電源系統(tǒng)的浪涌防護(hù)，還可以用于信號線路的浪涌保護(hù)，采用氣體放電管GDT 與TVS管組合成信號浪涌保護(hù)器，其特點(diǎn)是反應(yīng)快，漏流小，幾乎對信號無損耗，可以對高速網(wǎng)絡(luò)線路提供安全、可靠的保護(hù)，如圖4所示。[!--empirenews.page--]

4.3 TVS在直流電源系統(tǒng)的應(yīng)用

圖5 為一臺(tái)普通PC 電腦的供電電源電路，市電AC 220 V經(jīng)過變壓器降壓至AC 20 V,再經(jīng)調(diào)制整流電路，輸出DC 10 V 直流電源，接入負(fù)載。通過在變壓器輸出端安裝雙向瞬態(tài)電壓抑制器TVS1,吸收L 及N 線的瞬時(shí)沖擊脈沖電流，將電路電壓箝制在安全電壓水平，TVS1可以保護(hù)變壓器后端整流器及其他電路元器件。在整流器后的直流電源輸出端安裝單向瞬態(tài)電壓抑制器TVS2,用于保護(hù)直流負(fù)載免受過電壓電電流沖擊。

4.4 TVS在晶體管電路的應(yīng)用

晶體三極管作為電流控制型器件，是電子集成電路中的重要組成部分，可分為NPN 管和PNP 管[5]兩類，應(yīng)用于開關(guān)電路、放大電路和穩(wěn)壓電路。為了使晶體管電路免受ESD/EFT(靜電放電/電快速瞬變脈沖群)等浪涌電壓的干擾，在電路的輸入端和輸出端分別加入TVS1、TVS2進(jìn)行保護(hù)，其保護(hù)電路如圖6所示。

4.5 采用TVS保護(hù)TTL邏輯電路

TTL 電路是晶體管?晶體管邏輯電路的簡稱，是目前使用最廣泛的一種門電路，通過輸入高低電平[5],實(shí)現(xiàn)邏輯功能。它由三部分組成，即輸入級(發(fā)射極晶體管V1 和基極電阻R1)、倒相級(V2 管和電阻R2,R3)、輸出級(V3,V4,V5和電阻R4,R5)。對于TTL邏輯電路的浪涌防護(hù)，主要通過在輸入級A,B 端分別加入TVS1 和TVS2 進(jìn)行保護(hù)，在電路的輸出端“L”加入TVS4 進(jìn)行保護(hù)，在直流電源UCC端加入TVS3進(jìn)行保護(hù)，可以有效抑制各種瞬變過電壓對晶體管的EB 結(jié)或CE 結(jié)擊穿而損壞。圖7為TTL“與非”門的典型保護(hù)電路。

4.6 采用TVS保護(hù)MOS集成電路

MOS 集成電路的基本原件是MOS 晶體管，MOS 管有源極S、漏極D、柵極G三個(gè)電極，是電壓控制元件，用變化的柵漏電壓來控制漏源電流，MOS管分為P型MOS管和N型MOS管兩種。由NMOS管和PMOS管組成的互補(bǔ)型MOS電路稱為CMOS電路，它能對輸出端的電容提供一個(gè)快速充放電回路，功耗小，工作速度較高，具有較強(qiáng)的負(fù)載能力及抗干擾能力，在數(shù)安集成電路中得到越來越廣泛的應(yīng)用。圖8為COMS反相器保護(hù)電路圖，在電路的輸入端Ui、輸出端Uo及電源電壓UDD分別加入TVS3,TVS2,TVS1,從而保護(hù)晶體管電路及后面的負(fù)載元件。

5 結(jié)語

(1)TVS具有響應(yīng)快、功率大、極間電容和體積小、無漏流、應(yīng)用領(lǐng)域廣等優(yōu)點(diǎn)，可有效地保護(hù)TN 電源系統(tǒng)、直流電源、信號線路及晶體管集成電路等，可抑制共模/差模浪涌沖擊和ESD/EFT等瞬態(tài)浪涌電壓的干擾。

(2)電路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮被保護(hù)電路的特性、工作環(huán)境及TVS的VC,IPP,VWM,VBR,Ppp等相關(guān)參數(shù)選擇適配的TVS保護(hù)器件，TVS接入電路應(yīng)不影響電路的正常運(yùn)行，能安全泄放預(yù)期瞬態(tài)浪涌電流，將危險(xiǎn)電壓鉗位于電路安全耐壓值以內(nèi)。