提到 TVS,大部分电子工程师基本都知道是用来端口防护的,防止端口瞬间的电压冲击造成后级电路的损坏。由于其在电路中的重要的地位,因此,针对 TVS 的选型,很多厂家都是直接给推荐电路,直接告诉设计者答案选择哪个器件,却很少对选型过程提供理论计算,大部分的电子工程师针对 TVS 选型的时候,老人凭经验,新人凭参考,一旦更换厂家或者更换测试条件,就无从下手了,本文就专门解决该问题,让新人老人对 TVS 选型都能得心应手。

 

01 TVS 工作原理

TVS(Transient Voltage Suppressors),即瞬态电压抑制器,又称雪崩击穿二极管。它是采用半导体工艺制成的单个 PN 结或多个 PN 结集成的器件。TVS 有单向与双向之分,单向 TVS 一般应用于直流供电电路,双向 TVS 应用于电压交变的电路。如图 1 所示,应用于直流电路时单向 TVS 反向并联于电路中,当电路正常工作时,TVS 处于截止状态(高阻态),不影响电路正常工作。当电路出现异常过电压并达到 TVS(雪崩)击穿电压时,TVS 迅速由高电阻状态突变为低电阻状态,泄放由异常过电压导致的瞬时过电流到地,同时把异常过电压钳制在较低的水平,从而保护后级电路免遭异常过电压的损坏。当异常过电压消失后,TVS 阻值又恢复为高阻态。

 


图 1 TVS 工作原理

 

02 TVS 关键参数

工欲善其事,必先利其器,要用好 TVS,必须先了解其关键的参数。

 

(1) Vrwm 截止电压:

TVS 的最高工作电压,可连续施加而不引起 TVS 劣化或损坏的最高工作峰值电压或直流峰值电压。对于交流电压,用最高工作电压有效值表示,在 Vrwm 下,TVS 认为是不工作的,即是不导通的。换一句话,电路的最高工作电压必须小于 Vrwm,否则将会导致 TVS 动作导致电路异常。

 

(2) IR 漏电流:

漏电流,也称待机电流。在规定温度和最高工作电压条件下,流过 TVS 的最大电流。TVS 的漏电流一般是在截止电压下测量,对于某一型号 TVS, IR 应在规定值范围内。对 TVS 两端施加电压值为 Vrwm ,从电流表中读出的电流值即为 TVS 的漏电流 IR 。对于同功率和同电压的 TVS,在 Vrwm ≤10V 时,双向 TVS 漏电流是单向 TVS 漏电流的 2 倍。对于一些模拟端口,漏电流会影响 AD 的采样值,所以 TVS 的漏电流越小越好。

 

(3) VBR 击穿电压

 击穿电压,指在 V-I 特性曲线上,在规定的脉冲直流电流 IT 或接近发生雪崩的电流条件下测得 TVS 两端的电压。测试的电流 IT 一般选取 10mA 左右,施加的电流的时间不应超过 400ms,以免损坏器件,VBR MIN 和 VBR MAX 是 TVS 击穿电压的一个偏差,一般 TVS 为±5%的偏差。测量时,VBR 落在 VBR MIN 和 VBR MAX 之间视为合格品。

 

(4) IPP 峰值脉冲电流 ,VC 钳位电压

峰值脉冲电流,给定脉冲电流波形的峰值。TVS 一般选用 10/1000μs 电流波形。钳位电压,施加规定波形的峰值脉冲电流 IPP 时,TVS 两端测得的峰值电压。IPP 及 VC 是衡量 TVS 在电路保护中抵抗浪涌脉冲电流及限制电压能力的参数,这两个参数是相互联系的。对于 TVS 在防雷保护电路中的钳位特性,可以参考 VC 这个参数。对于相同型号 TVS,在相同 IPP 下的 V C 越小,说明 TVS 的钳位特性越好。TVS 的耐脉冲电流冲击能力可以参考 IPP ,同型号的 TVS,IPP 越大,耐脉冲电流冲击能力越强。

 

(5) 结电容 CI,漏电流 IR;

结电容是 TVS 中的寄生电容,在高速 IO 端口保护需要重点关注,过大的结电容可能会影响信号的质量。漏电流主要带来了功率的损耗,或者是在模拟信号中,会影响 AD 信号的采样值。

 


图 2,厂家一般都是提供 10/1000μs 的测试波形

 


图 3 TVS 的关键参数

 

03 TVS 选型过程

了解了 TVS 的基本参数,我们就开始进入最重要的 TVS 选型的过程了。选择 TVS 之前,我们首先要明白选择的终极目标:

 

1. 电压合适能保护后级电路;

2. 引入的 TVS 的结电容不能影响电路;

3.TVS 功率余量充足,满足测试标准,且不能比保险管先挂。选型的过程可以按照以下的步骤进行:

 

(1) 选择 TVS 最高工作电压 Vrmw;

(2) 选择 TVS 钳位电压 VC;

(3) 选择 TVS 的功率;

(4) 评估漏电流 IR 的影响;

(5) 评估结电容的影响;

 

选择 TVS 最高工作电压 Vrmw;

在电路正常工作情况下,TVS 应该是不工作的,即处于截止状态,所以 TVS 的截止电压应大于被保护电路的最高工作电压。这样才能保证 TVS 在电路正常工作下不会影响电路工作。但是 TVS 的工作电压高低也决定了 TVS 钳位电压的高低,在截止电压大于线路正常工作电压的情况下,TVS 工作电压也不能选取的过高,如果太高,钳位电压也会较高,所以在选择 Vrwm 时,要综合考虑被保护电路的工作电压及后级电路的承受能力。要求 Vrwm 要大于工作电压,否则工作电压大于 Vrwm 会导致 TVS 反向漏电流增大,接近导通,或者雪崩击穿,影响正常电路工作。综合考虑,Vrwm 可以参考以下的公式:

 

Vrwm≈1.1~1.2*VCC ;-------- 其中 VCC 为电路的最高工作电压。

 

选择选择 TVS 钳位电压 VC;

TVS 钳位电压应小于后级被保护电路最大可承受的瞬态安全电压,VC 与 TVS 的雪崩击穿电压及 IPP 都成正比。对于同一功率等级的 TVS,其击穿电压越高 VC 也越高,所选 TVS 的最大箝位电压 Vc 不能大于被防护电路可以承受的最大电压。否则,当 TVS 钳在 Vc 时会对电路造成损坏。Vc 可以参考以下的公式:

VC<Vmax ;----- 其中 Vmax 为电路能承受的最高电压 .

 

选择 TVS 的功率 Pppm(或者 Ipp);

TVS 产品的额定瞬态功率应大于电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率,理论上,TVS 的功率越大越好,能够承受更多的冲击能量和次数,但是功率越高,TVS 的封装越大,价钱也越高,所以,TVS 的功率满足要求即可。对于不同功率等级的 TVS,相同电压规格的 TVS 其 VC 值是一样的,只是 IPP 不同。故 Pppm 与 Ippm 成正比,Ippm 越大,Pppm 也越大。

 

对于某一电路 ,有对应的测试要求,设实际电路中的最大测试电流为 Iactual ,则 Iactual 可估算为:

Iactual=Uactual/Ri;--------- 其中 Uactual 为测试电压,Ri 为测试内阻。

 

TVS 要通过测试,故实际电路中要求 10/1000μs 波形下 TVS 的最小功率 Pactual 为:------- 其中 di/dt 为波形转换系数,如实际测试波形为其他波形,如 8/20μs 波形,建议 di/dt 取,如测试波形为 10/1000μs,取,实际选型中,TVS 应留有一定的裕量,TVS 的功率 Pppm 选择应遵循 Pppm>Pactual。

 

根据所选的 TVS 的结电容和漏电流评估影响

如果 TVS 用在高速 IO 端口防护、模拟信号采样、低功耗设备场合,就需要考虑结电容和漏电流的影响,两则的参数越小越好。

 

04 TVS 选型距离

数据都是无趣的,我们以实际的案例举例。

 

电路的正常工作电压 VCC 是 24V,最高工作电压 Vmax 是 26V,后级电路可承受的最高瞬态电压为 50V,实验的测试波形为 8/20μs 波形,测试电压 500V,测试电源内阻及 PPTC 的静态电阻合计为 2Ω。根据上述信息选择合适的 TVS。

 


图 4 

 

设计举例

1) 选择 TVS 最高工作电压

Vrmw≈1.1~1.2*VCC=26~28V

2) 选择选择 TVS 钳位电压

VC<Vmax=50V

3) 计算实际测试波形功率:

Pactual=Vc**=50*(500/3)*1/2=4166W

 

根据计算结果,可以选用 5.0SMDJ26A 这个 TVS,由于这个 TVS 用在电源端口,结电容和漏电流基本可以忽略不计。

 


图 5 5.0SMDJ26A TVS 关键参数