本文主要介紹防浪涌電路中的元器件之TVS以及一些常用的電路。

 

1、概述:

 

防浪涌電路中的元器件主要有氣體放電管、壓敏電阻、TVS管、TSS管、保險管、熔斷器、空氣開關、還有電感、電阻、電容等。

 

本文我們來詳細分析TVS的工作原理。

 

以下是工作原理示意圖：

 

電壓鉗位型瞬態抑制二極管TVS （Transient Voltage Suppressor），是一種限壓保護器件? 

 

如下圖所示的是常用的幾種封裝形式的TVS原理圖符號：

 

還有集成式的，如下圖所示：

目前，市面上的TVS多用半導體硅片制成，和二極管類似,其是由一個或者多個PN節構成。

 

它是一種具有非線性伏安特性的電子器件，主要用于在電路承受過壓時進行電壓鉗位，吸收多余的電流以保護敏感器件，和壓敏電阻類似。

 

以下是TVS的特性和工作區域描述：

下圖是壓敏電阻吸收浪涌的示意圖：

下圖為TVS吸收浪涌的示意圖：

從兩幅圖可以看出，其作用與壓敏電阻很類似? 也是利用器件的非線性特性將過電壓鉗位到一個較低的電壓值實現對后級電路的保護的? 

二極管的等效電路如下圖所示：

正常情況下相當于一個電容，和信號線的電阻可以組成一個低通濾波器，因此TVS管會造成插入損耗，降低信號質量。

 

下圖為不同結電容與插入損耗的關系示意圖：

TVS動態電阻（RDYN）表示浪涌電流分流到GND的難易程度。低動態電阻TVS管能將更多浪涌電流分流到GND。

 

從連接器端看，TVS管和受保護器件的阻抗可視為并聯阻抗。

 

如果TVS管阻抗（即動態電阻）低，則大部分浪涌電流可通過TVS管分流，減少流入受保護器件的電流，從而降低損壞的可能性，如下圖所示：

RDYN是反向導通模式下VF–IF曲線的斜率，如下圖所示，可以說明如何計算TVS的動態電阻：

 

TVS的主要參數有反向擊穿電壓? 最大鉗位電壓? 瞬間功率? 結電容及響應時間等?

 

如下為某TVS管的電氣參數表之一：

 

下面對表中參數進行簡單介紹：

 

脈沖峰值功率（Peak pulse power）Ppk：該脈沖功率有的是在8/20us @25℃的測試條件下測得，如下圖所示：

 

80/20us代表一個上升時間為8µs，半峰值時間為20 µs的沖擊電流波形，如下圖所示：

有的是在10/1000us @25℃的條件下測試得到的，為TVS在特定標準波形下測到的峰值功率。如下表為某TVS管的電氣參數表：

下圖為10/1000us @25℃的測試波形，這兩種波形我們在前面的講壓敏電阻和氣體放電管的時候都有涉及到。

其實這兩種波形的形式都一樣，只是上升沿的時間和下降到半峰值時的時間不同罷了。

 

脈沖峰值電流（Peak pulse current）IPP：和峰值功率一樣的測試條件，是在特定標準波形下TVS管所能承受到的峰值電流。

 

IEC 61000-4-2標準下的空氣放電 VESD：IEC 61000-4-2為靜電放電的一個模型，它區別于人體模型（HBM）和帶電裝置模型（CDM）這是一個為日常使用設計的標準。

 

如紅色波形所示，IEC 61000-4-2 波形像是CDM和HBM的合并，前面快速的上升是模擬CDM，后邊持續的放電時模擬HBM，它用了更高的電流脈沖并且持續的時間也更長。

IEC 61000-4-2標準下的接觸放電 VESD：和空氣放電類似，只是操作的時候一個是接觸，一個是非接觸，此處不再贅述。

 

以下圖表中的參數是TVS選型中常用的電氣參數，各家的參數描述大同小異，下面我們來一 一解釋。

在介紹這些參數之前，我們需要熟悉一下TVS的I/V曲線：

 

反向關斷電壓（Reverse Stand-Off Voltage）VRWM：當TVS管反向不導通時的最大電壓，對應的電流IR為最大反向漏電流。

 

該電壓一般要略大于被保護電路的最高工作電壓。

 

漏電流IR一般為0.1uA~1uA。

 

反向擊穿電壓（Reverse Breakdown Voltage）VBR：是在規定的脈沖電流IT下或者接近發生雪崩的電流條件下測得的TVS兩端的電壓。

 

IT一般選取為1~10mA，施加的電流時間不超過400ms。

 

擊穿電壓是TVS管導通的標志，當反向電壓超過擊穿電壓時，隨著反向電壓增大，反向電流將急劇增大。

 

通常擊穿電壓和反向關斷電壓的關系如下：

 

VRWM=（0.8~0.9）VBR

 

峰值脈沖電流（Peak Pulse Current）IPP：是TVS按照規定的電流脈沖(8/20us或10/1000us)波形下，TVS允許通過的最大峰值電流。

 

鉗位電壓（Clamping Voltage）Vc：是指在峰值脈沖電流IPP條件下測得的TVS管兩端的電壓，一般選取30ns時的電壓值。

 

不同的IPP值，對應的VC不同。

 

我們在選型時，VC應小于后級電路所能承受的瞬態安全電壓。

 

如下為某RS485芯片的電氣參數，如果我們在A、B處加TVS管，則VC要小于15V。

節電容（Junction Capacitance）Cj：為TVS的PN節的電容，通常在一定頻率下測得。

 

不同類型的TVS的結電容差別比較大，從零點幾皮法到幾十皮法甚至有納法級別的。

 

該值高速電路中要格外關注，因為該值的大小會影響信號的質量，常見接口中的TVS結電容推薦如下：

 

還有一種結電容和信號頻率的關系，可以相互參考：

以上是對TVS基本參數和功能的概述，下面我們來分析TVS在使用上的注意事項。

 

2、TVS 使用時的注意事項：

 

前面已經有一些結論性的東西了，此處我們再總結一下。

 

1、TVS額定反向關斷VRWM應大于或等于被保護電路的最大工作電壓。

 

2、TVS的最大鉗位電壓VC應小于被保護電路的損壞電壓。

 

3、對于數據接口電路的保護，選型時要注意結電容Cj，具體值可以參考上述表格中推薦的值。

 

4、不同通訊接口所用的TVS一般都有專用的，如HDMI、CAN、Audio等，先找是否有專用的再選普通的。

 

5、TVS管在布局的時候要靠近ESD進入點，盡量保證與TVS管串聯的走線電感最小：

 

如下圖所示為不同布局下的TVS管的鉗位電壓，走線電感越小，鉗位電壓越低：

 

不要將任何PCB走線與可能引入ESD脈沖的信號走線并行。特別是，避免ESD抗擾度低的走線與可能受ESD影響的走線并行。

TVS 的響應時間可以達到ps級, 是限壓型浪涌保護器件中最快的?

 

TVS 的非線性特性比壓敏電阻好? 當通過TVS的過電流增大時, TVS的鉗位電壓上升速度比壓敏電阻慢, 因此可以獲得比壓敏電阻更理想的殘壓輸出?

 

TVS的通流容量在限壓型浪涌保護器中是最小的, 一般用于最末級的精細保護, 因其通流量小, 一般不用于交流電源線路的保護。

 

直流電源的防雷電路使用TVS時, 一般還需要與壓敏電阻等通流容量大的器件配合使用，如下圖所示：

TVS有單極性和雙極性之分，在單極性的信號電路和直流電源電路中, 選用單向TVS可以獲得比壓敏電阻低50%以上的殘壓?

 

TVS 的反向擊穿電壓? 通流容量是電路設計時應重點考慮的? 

 

在直流回路中, TVS的反向擊穿電壓應當為 ：

 

VBR≈(1.8~2) Vdc 

 

式中, Vdc 為回路中的直流工作電壓? 

 

在信號回路中, TVS 的反向擊穿電壓應當為 ：

 

VBR≈(1.2~1.5) Vmax 

 

式中, Vmax 為信號回路的峰值電壓? 

 

TVS 主要可用于直流電源? 信號線路? 天饋線路的防雷保護? 

 

TVS的失效模式主要是短路? 但當通過的過電流太大時, 也可能造成因TVS被炸裂而開路的現象? 

 

3、典型應用電路：

 

電路一：HDIM接口電路

 

 

 

電路二：高速Serdes

電路三：普通SPI接口

電路四：按鍵電路

電路五：USB3.0電路

TVS在電路中的應用數不勝數，在EMC中的應用就介紹到這里，此處只做拋磚引玉的作用，歡迎一起交流學習。