TVS的特性及应用

瞬态电压抑制器(Transient Voltage Suppressor)简称TVS,是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时,它能以10-12秒量级的速度,将其两极间的高阻抗变为低阻抗,吸收高达数千瓦的浪涌功率,使两极间的电压箝位于一个预定值,有效地保护电子线路中的精密元器件,免受各种浪涌脉冲的损坏。由于它具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点。

    目前已广泛应用于计算机系统、通讯设备、交/直流电源、汽车、电子镇流器、家用电器、仪器仪表(电度表)、RS232/422/423/485、I/O、LAN、ISDN、ADSL、USB、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM、数字照相机的保护、共模/差模保护、RF耦合/IC驱动接收保护、电机电磁波干扰抑制、声频/视频输入、传感器/变速器、工控回路、继电器、接触器噪音的抑制等各个领域。具体有以下三大特点:

    1、 将TVS二极管加在信号及电源线上,能防止微处理器或单片机因瞬间的肪冲,如静电放电效应、交流电源之浪涌及开关电源的噪音所导致的失灵。

    2、静电放电效应能释放超过10000V、60A以上的脉冲,并能持续10ms;而一般的TTL器件,遇到超过30ms的10V脉冲时,便会导至损坏。利用TVS二极管,可有效吸收会造成器件损坏的脉冲,并能消除由总线之间开关所引起的干扰(Crosstalk)。

    3、将TVS二极管放置在信号线及接地间,能避免数据及控制总线受到不必要的噪音影响。

    一、TVS的特性及主要参数 

    1、TVS的特性曲线
TVS的电路符号与普通稳压二极管相同。它的正向特性与普通二极管相同;反向特性为典型的PN结雪崩器件。

    在瞬态峰值脉冲电流作用下,流过TVS的电流,由原来的反向漏电流ID上升到IR时,其两极呈现的电压由额定反向关断电压VWM上升到击穿电压VBR,TVS被击穿。随着峰值脉冲电流的出现,流过TVS的电流达到峰值脉冲电流IPP。在其两极的电压被箝位到预定的最大箝位电压以下。尔后,随着脉冲电流按指数衰减,TVS两极的电压也不断下降,最后恢复到起始状态。这就是TVS抑制可能出现的浪涌脉冲功率,保护电子元器件的整个过程。

    2、TVS的特性参数
  
    ①最大反向漏电流ID和额定反向关断电压VWM。
    VWM是TVS最大连续工作的直流或脉冲电压,当这个反向电压加入TVS的两极间时,它处于反向关断状态,流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流ID。
  
    ②最小击穿电压VBR和击穿电流IR
    VBR是TVS最小的雪崩电压。25℃时,在这个电压之前,TVS是不导通的。当TVS 流过规定的1mA电流(IR)时,加入TVS两极间的电压为其最小击穿电压VBR。按TVS的VBR与标准值的离散程度,可把TVS分为±5%VBR和平共处±10% VBR两种。对于±5%VBR来说,VWM=0.85VBR;对于±10% VBR来说,VWM=0.81 VBR。

    ③最大箝拉电压VC和最大峰值脉冲电流IPP
    当持续时间为20微秒的脉冲峰值电流IPP流过TVS时,在其两极间出现的最大峰值电压为VC。它是串联电阻上和因温度系数两者电压上升的组合。VC 、IPP反映了TVS器件的浪涌抑制能力。VC与VBR之比称为箝位因子,一般在1.2~1.4之间。

    ④电容量C
    电容量C 是TVS雪崩结截面决定的、在特定的1MHZ频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比,C过大将使信号衰减。因此,C是数据接口电路选用TVS的重要参数。

    ⑤最大峰值脉冲功耗PM
    PM是TVS能承受的最大峰值脉冲耗散功率。其规定的试验脉冲波形和各种TVS的PM值,请查阅有关产品手册。在给定的最大箝位电压下,功耗PM越大,其浪涌电流的承受能力越大;在给定的功耗PM下,箝位电压VC越低,其浪涌电流的承受能力越大。另外,峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。而且TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的,器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为0.01%,如果电路内出现重复性脉冲,应考虑脉冲功率的“累积”,有可能使TVS损坏。

    ⑥箝位时间TC 
    TC是从零到最小击穿电压VBR的时间。对单极性TVS小于1×10-12秒;对双极性TVS小于是1×10-11 秒。

    二、 TVS二极管的分类 

    TVS器件可以按极性分为单极性和双极性两种,按用途可分为各种电路都适用的通用型器件和特殊电路适用的专用型器件。如:各种交流电压保护器、4~200mA电流环保器、数据线保护器、同轴电缆保护器、电话机保护器等。若按封装及内部结构可分为:轴向引线二极管、双列直插TVS阵列(适用多线保护)、贴片式、组件式和大功率模块式等。

    三、 TVS的选用技巧 

    1、确定被保护电路的最大直流或连续工作电压、电路的额定标准电压和“高端”容限。

    2、TVS额定反向关断VWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压。若选用的VWM太低,器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作。串行连接分电压,并行连接分电流。

    3、 TVS的最大箝位电压VC应小于被保护电路的损坏电压。

    4、在规定的脉冲持续时间内,TVS的最大峰值脉冲功耗PM必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉冲功率。在确定了最大箝位电压后,其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。

    5、对于数据接口电路的保护,还必须注意选取具有合适电容C的TVS器件。

6、根据用途选用TVS的极性及封装结构。交流电路选用双极性TVS较为合理;多线保护选用TVS阵列更为有利。
7、温度考虑。瞬态电压抑制器可以在-55~+150℃之间工作。如果需要TVS在一个变化的温度  工作,由于其反向漏电流ID是随增加而增大;功耗随TVS结温增加而下降,从+25℃到+175℃,大约线性下降50%雨击穿电压VBR随温度的增加按一定的系数增加。因此,必须查阅有关产品资料,考虑温度变化对其特性的影响。



四、TVS与压敏电阻的比较 
      目前,国内不少需进行浪涌保护的设备上使用的是压敏电阻。压敏电阻是一种金属化物变阻器。TVS比压敏电阻的特性优越得多,具体特性参数的比较如下表所示。

关键参数或极限值

TVS

压敏电阻

反应速度

10-12s

5×10-8

有否老化现象

最高使用温度

175

115

元件极性

单极性与双极性

单极性

反向漏电流典型值

5μA

200μA

箝位因子(VC/VBR

1.5

7~8

密封性质

密封不透气

透气

价格

较贵

便宜


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