TVS瞬态干扰抑制器的性能与应用
tvs瞬态干扰抑制器的性能与应用
tvs是transientvoltagesuppressors的简写
中文简称为：瞬间抑制电压二极管、瞬态抑制电压二极管、瞬态抑制突波吸收器、瞬态干扰抑制器
瞬态干扰
瞬态干扰指交流电网上出现的浪涌电压、振铃电压、火花放电等瞬间干扰信号，其特点是作用时间极短，但电压幅度高、瞬态能量大。瞬态干扰会造成控制系统的电源电压的波动；当瞬态电压叠加在控制系统的输入电压上，使输入控制系统的电压超过系统内部器件的极限电压时，便会损坏控制系统内部的设备，因此必须采用抑制措施。
硅瞬变吸收二极管
硅瞬变吸收二极管的工作有点象普通的稳压管，是箝位型的干扰吸收器件；其应用是与被保护设备并联使用。硅瞬变电压吸收二极管具有极快的响应时间(亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力，及极多的电压档次。可用于保护设备或电路免受静电、电感性负载切换时产生的瞬变电压，以及感应雷所产生的过电压。
tvs管有单方向(单个二极管)和双方向(两个背对背连接的二极管)两种，它们的主要参数是击穿电压、漏电流和电容。使用中tvs管的击穿电压要比被保护电路工作电压高10％左右，以防止因线路工作电压接近tvs击穿电压，使tvs漏电流影响电路正常工作；也避免因环境温度变化导致tvs管击穿电压落入线路正常工作电压的范围。
tvs管有多种封装形式，如轴向引线产品可用在电源馈线上；双列直插的和表面贴装的适合于在印刷板上作为逻辑电路、i/o总线及数据总线的保护。
tvs的特性
tvs的电路符号和普通的稳压管相同。其电压-电流特性曲线如图1所示。其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。图2是tvs的电流-时间和电压-时间曲线。在浪涌电压的作用下，tvs两极间的电压由额定反向关断电压vwm上升到击穿电压vbr，而被击穿。随着击穿电流的出现，流过tvs的电流将达到峰值脉冲电流ipp，同时在其两端的电压被箝位到预定的最大箝位电压vc以下。其后，随着脉冲电流按指数衰减，tvs两极间的电压也不断下降，最后恢复到初态，这就是tvs抑制可能出现的浪涌脉冲功率，保护电子元器件的过程。当tvs两极受到反向高能量冲击时，它能以10~12s级的速度，将其两极间的阻抗由高变低，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电位箝位于预定值，有效地保护电子设备中的元器件免受浪涌脉冲的损害。tvs具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压容易控制、体积小等优点，目前已广泛应用于家用电器、电子仪表、通讯设备、电源、计算机系统等各个领域。
tvs的主要参数
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，当这个反向电压加于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。最小击穿电压vbr和击穿电流ir。vbr是tvs最小的击穿电压。在25℃时，低于这个电压tvs是不会发生雪崩的。当tvs流过规定的1ma电流(ir)时，加于tvs两极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vbr分为5％和10％两种。对于5％的vbr来说，vwm=0.85vbr；对于10％的vbr来说，vwm=0.81vbr。
最大箝位电压vc和最大峰值脉冲电流ipp。当持续时间为20ms的脉冲峰值电流ipp流过tvs时，在其两端出现的最大峰值电压为vc。vc、ipp反映了tvs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。
电容量c。电容量c是由tvs雪崩结截面决定的，是在特定的1mhz频率下测得的。c的大小与tvs的电流承受能力成正比，c太大将使信号衰减。因此，c是数据接口电路选用tvs的重要参数。
最大峰值脉冲功耗pm。pm是tvs能承受的最大峰值脉冲功率耗散值。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，有可能损坏tvs。
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1×10-12s；对双极性tvs小于10×10-12s。
tvs的分类
tvs器件按极性可分为单极性和双极性两种；按用途可分为通用型和专用型；按封装和内部结构可分为：轴向引线二极管、双列直插tvs阵列、贴片式和大功率模块等。轴向引线的产品峰值功率可以达到400w、500w、600w、1500w和5000w。其中大功率的产品主要用在电源馈线上，低功率产品主要用在高密度安装的场合。对于高密度安装的场合还可以选择双列直插和表面贴装的封装形式。
tvs的选用
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最大可承受电压。
tvs的额定反向关断电压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。
tvs的最大反向箝位电压vc应小于被保护电路的损坏电压。
在规定的脉冲持续时间内，tvs的最大峰值脉冲功率pm必须大于被保护电路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。一般tvs的最大峰值脉冲功率是以10/1000ms的非重复脉冲给出的，而实际的脉冲宽度是由脉冲源决定的，当脉冲宽度不同时其峰值功率也不同。如某600wtvs，对1000ms脉宽最大吸收功率为600w，但是对50ms脉宽吸收功率就可达到2100w，而对10ms的脉宽最大吸收功率就只有200w了。而且吸收功率还和脉冲波形有关：如果是半个正弦波形式的脉冲，吸收功率就要减到75％，若是方波形式的脉冲，吸收功率就要减到66％。
平均稳态功率的匹配对于需要承受有规律的、短暂的脉冲群冲击的tvs，如应用在继电器、功率开关或电机控制等场合，有必要引入平均稳态功率的概念。举例说明，在一功率开关电路中会产生120hz，宽度为4ms，峰值电流为25a的脉冲群。选用的tvs可以将单个脉冲的电压箝位到11.2v。此中平均稳态功率的计算为：脉冲时间间隔等于频率的倒数1/120=0.0083s，峰值吸收功率是箝位电压与脉冲电流的乘积11.2v×25a=280w，平均功率则为峰值功率与脉冲宽度对脉冲间隔比值的乘积，即 280×(0.000004s/0.0083s)=0.134w。也就是说，选用的tvs平均稳态功率必须大于0.134w。
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。
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。
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在一个变化的温度下工作，由于其反向漏电流id是随温度增加而增大；功耗随tvs结温增加而下降，从＋25℃到＋175℃，大约线性下降50％；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。
tvs管在使用中应注意的事项
对瞬变电压的吸收功率(峰值)与瞬变电压脉冲宽度间的关系。手册给的只是特定脉宽下的吸收功率(峰值)，而实际线路中的脉冲宽度则变化莫测，事前要有估计。对宽脉冲应降额使用。
对小电流负载的保护，可有意识地在线路中增加限流电阻，只要限流电阻的阻值适当，不会影响线路的正常工作，但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小。这就有可能选用峰值功率较小的tvs管来对小电流负载线路进行保护。
对重复出现的瞬变电压的抑制，尤其值得注意的是tvs管的稳态平均功率是否在安全范围之内。
降额使用
作为半导体器件的tvs管，要注意环境温度升高时的降额使用问题。特别要注意tvs管的引线长短，以及它与被保护线路的相对距离。当没有合适电压的tvs管供采用时，允许用多个tvs管串联使用。串联管的最大电流决定于所采用管中电流吸收能力最小的一个。而峰值吸收功率等于这个电流与串联管电压之和的乘积。
tvs管的结电容是影响它在高速线路中使用的关键因素，在这种情况下，一般用一个tvs管与一个快恢复二极管以背对背的方式连接，由于快恢复二极管有较小的结电容，因而二者串联的等效电容也较小，可满足高频使用的要求。
结语：各种电子系统及通信网络等，经常会受到外来的电磁干扰，这些干扰主要来自电源线路的暂态过程、雷击闪电、以及宇宙射电等。这些干扰会使得系统动作失误甚至硬件损坏。对这些问题，要做好全面的预防保护措施，设计选用合适的硅瞬变吸收二极管是解决瞬态干扰的良好方案。但随着电子工业界探索更多地提高效率和增加功能、集成度不断提高的电子产品，设计提供完整的电路保护解决方案，将形成电路保护技术的又一次革命。
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硅瞬变吸收二极管
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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，当这个反向电压加于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。最小击穿电压vbr和击穿电流ir。vbr是tvs最小的击穿电压。在25℃时，低于这个电压tvs是不会发生雪崩的。当tvs流过规定的1ma电流(ir)时，加于tvs两极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vbr分为5％和10％两种。对于5％的vbr来说，vwm=0.85vbr；对于10％的vbr来说，vwm=0.81vbr。
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降额使用
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tvs管的结电容是影响它在高速线路中使用的关键因素，在这种情况下，一般用一个tvs管与一个快恢复二极管以背对背的方式连接，由于快恢复二极管有较小的结电容，因而二者串联的等效电容也较小，可满足高频使用的要求。
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