故障电压如何因大故障电流而增加
作者：art kay
在上篇电气过应力博客中，我们介绍了瞬态电压抑制器 （tvs） 的技术参数。在本文中，我们将介绍逐步为设计选择最佳 tvs 的流程。
1. 考虑封装尺寸与最大功耗。tvs 的额定功率计算方法通常是用最大钳位电压乘以最大峰值脉冲电流 （ppp = ipp∙vc） 。最大功耗一般针对 1ms 脉冲。使用高额定功率 tvs 的优势是 v-i 曲线在该（击穿）区域的斜率很陡。我们随后会更详细地介绍钳位区域的 v-i 特征，但重点是如果给定故障电流下的器件具有更高的额定功率，故障条件下的稳压会更好。
注意，在图 1 中功耗与封装尺寸有关。可惜的是，与放大器封装相比 tvs 的封装尺寸很大。但是，没有必要为每个放大器配备 tvs。一个 tvs 可用于整个电源总线，或者也许可在大型 pcb 中使用几个 tvs。在该实例中，我们将选择 400w 的封装来最大限度地缩小 tvs 尺寸。在后续计算中，我们将看到故障电压如何因为大故障电流而增加。
图 1：tvs 的封装尺寸与功耗实例
2. 为应用选择等于最大额定工作电源电压的反向对峙电压。在本示例中，最大电源电压等于指定的最大值（表 3 中为 ±18v），因此我们选择的对峙电压是 18v。只要电源电压小于反向对峙电压，tvs 漏电流就会保持为较低的水平（一般是微安级），在 tvs 产品说明书中通常由整个温度范围决定。表 1 是一个 tvs 实例，提供 18v 对峙电压以及与其相关的 5ua 和 10ua 漏电流。
表 1：瞬态电压抑制器（400w 和 5000w 两种选项）的技术参数实例
部件编号反向对峙电压vr漏电流vr ir击穿电压vbr击穿电流ibr最大钳位电压 vc最大峰值脉冲电流 ipp峰值功率 ppp
最小最大
smaj18a18v5ua20.0v22.1v1ma29.2v13.7a400w
5.0smdj18a18v10ua20.0v22.1v1ma29.2v172a5000w
表 2：opa192 的绝对最大额定参数表
数值单位
电源电压±20（+40，单电源）v
信号输入终端电压共模（v-） - 0.5至（v+） + 0.5v
差分（v+） - （v-） + 0.2v
电流
±10ma
输出短路连续
工作温度-55 至 +150℃
存储温度-55 至 +150℃
结温+150℃
静电放电 （esd） 额定参数人体模型 （hbm）4kv
带电器件模型 （cdm）1kv
表 3：opa192 的工作技术参数
电气特性
ta = +25c，vcm = vout = vs/2，rload = 10kΩ（连接至 vs/2），另有说明的除外。
参数测试条件最小值典型值最大值单位
电源
vs指定电压范围
+4.5
+36v
iq每个放大器的静态电流io = 0a
11.2ma
ta = -40c 至 25c、io = 0a
1.5ma
3. 确定 tvs 器件导通并保护放大器时电压与电流的关系。要了解这一关系，您需要考虑击穿电压 （vbr） 和钳位电压 （vc）。击穿电压 （vbr） 是 tvs 保护开始击穿或“接通”以及开始吸收大量电流的电压点。增大通过 tvs 的电流会导致其电压稍微上升。这一上升源自串联电阻器以及该器件的自热。钳位电压是指在特定大电流下整个 tvs 的电压。在本示例中，13.7a 电流下的钳位电压是 29.2v（见表 1 中的 400w 选项）。tvs 的目的是将电压限制在放大器绝对最大额定值以下。整个 tvs 的实际电压取决于通过它的电流，而且该电压将介于击穿电压和钳位电压之间。
在图 2 中您可以看到，v-i 特性在击穿电压和钳位电压之间呈线性。可使用这两个点导出该线路公式。该公式可用来确定击穿电流与最大峰值脉冲电流之间任意电流对应的反向电压。我们可根据预期的故障电流利用该公式得出应用的最大电压。公式 （1） 至 （3） 是线性方程以及本示例斜率与截距的推导。
图 2：tvs 器件的 v-i 曲线
4. 估算出现故障时流过 tvs 的最差情况电流，并计算相应的故障电压。最终目的是将过压条件限制在安全水平内（即在绝对最大电源电压以下）。要估算故障电压，我们必须知道我们能够预期的故障电流。预期的故障电流取决于应用。如果电源连接至电感负载或者应用处于存在强电磁场的位置，故障电流可能会比较高。如果电源表现良好而且应用处于屏蔽环境，故障电流可能会比较低。进行这样的估算，不仅可能要涉及一些工程设计假设，而且还将取决于您对估算的保守程度。对于我们所举示例中的问题，我选择的故障电流假设为 2a。我们可通过计算线性方程得出 23.14v 的故障电压限值，见公式 （4）。
5. 对比故障电压与放大器绝对最大电压。在本示例中，绝对最大电压是 ±20v（见表 2），而最大故障电压则是 2a 故障电流下的 23.14v（见公式 （4））。在理想情况下，故障电压小于或等于绝对最大值，才能避免损坏器件。该 tvs 不符合这一要求。如果故障电压大于绝对最大电压，可考虑以下三种选项。
a. 使用较低额定电源电压。在本示例中，我们将额定电源电压设定为 ±18v，因此对峙电压 （vr） 也被设定为 18v。该器件的绝对最大值是 ±20v。工作电压与绝对最大电压之间只有 2v 的差别。如果故意使用较低的额定电源电压（例如 ±15v），那么额定电源电压与绝对最大电压之间的裕度就会变大（例如 vmax – vnominal = 20v – 15v = 5v）。裕度增大后，就更容易找到符合要求的 tvs。
b. 寻找更好的 tvs。有些 tvs 二极管可能比其它产品更适合您的应用。在本示例中，我们选择了具有 400w 额定功率的 tvs。选择具有更高额定功率的器件可降低 2a 电流下的故障电压。本示例中如果使用 5000w tvs 取代 400w 器件，可将故障电压从 23.14v 降低到 22.59v。不过，您永远都找不到具有理想特性的器件，因为制造工艺都有局限。
c. 使用即便故障电压大于绝对最大电源电压的 tvs。从表面上看，似乎允许故障电压超过绝对最大参数值是个极为糟糕的主意。但是，有保护总比没保护强。在很多情况下，找到在整个工作电压范围内关闭、而在绝对最大电源极限到来之前立即导通的 tvs 并不现实。需要记住的一点是绝对最大技术参数存在一定的裕度。
6. 考虑成本。将搜索范围缩小到一定程度后，可通过考虑成本来做最后的选择。
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在上篇电气过应力博客中，我们介绍了瞬态电压抑制器 （tvs） 的技术参数。在本文中，我们将介绍逐步为设计选择最佳 tvs 的流程。
1. 考虑封装尺寸与最大功耗。tvs 的额定功率计算方法通常是用最大钳位电压乘以最大峰值脉冲电流 （ppp = ipp∙vc） 。最大功耗一般针对 1ms 脉冲。使用高额定功率 tvs 的优势是 v-i 曲线在该（击穿）区域的斜率很陡。我们随后会更详细地介绍钳位区域的 v-i 特征，但重点是如果给定故障电流下的器件具有更高的额定功率，故障条件下的稳压会更好。
注意，在图 1 中功耗与封装尺寸有关。可惜的是，与放大器封装相比 tvs 的封装尺寸很大。但是，没有必要为每个放大器配备 tvs。一个 tvs 可用于整个电源总线，或者也许可在大型 pcb 中使用几个 tvs。在该实例中，我们将选择 400w 的封装来最大限度地缩小 tvs 尺寸。在后续计算中，我们将看到故障电压如何因为大故障电流而增加。
图 1：tvs 的封装尺寸与功耗实例
2. 为应用选择等于最大额定工作电源电压的反向对峙电压。在本示例中，最大电源电压等于指定的最大值（表 3 中为 ±18v），因此我们选择的对峙电压是 18v。只要电源电压小于反向对峙电压，tvs 漏电流就会保持为较低的水平（一般是微安级），在 tvs 产品说明书中通常由整个温度范围决定。表 1 是一个 tvs 实例，提供 18v 对峙电压以及与其相关的 5ua 和 10ua 漏电流。
表 1：瞬态电压抑制器（400w 和 5000w 两种选项）的技术参数实例
部件编号反向对峙电压vr漏电流vr ir击穿电压vbr击穿电流ibr最大钳位电压 vc最大峰值脉冲电流 ipp峰值功率 ppp
最小最大
smaj18a18v5ua20.0v22.1v1ma29.2v13.7a400w
5.0smdj18a18v10ua20.0v22.1v1ma29.2v172a5000w
表 2：opa192 的绝对最大额定参数表
数值单位
电源电压±20（+40，单电源）v
信号输入终端电压共模（v-） - 0.5至（v+） + 0.5v
差分（v+） - （v-） + 0.2v
电流
±10ma
输出短路连续
工作温度-55 至 +150℃
存储温度-55 至 +150℃
结温+150℃
静电放电 （esd） 额定参数人体模型 （hbm）4kv
带电器件模型 （cdm）1kv
表 3：opa192 的工作技术参数
电气特性
ta = +25c，vcm = vout = vs/2，rload = 10kΩ（连接至 vs/2），另有说明的除外。
参数测试条件最小值典型值最大值单位
电源
vs指定电压范围
+4.5
+36v
iq每个放大器的静态电流io = 0a
11.2ma
ta = -40c 至 25c、io = 0a
1.5ma
3. 确定 tvs 器件导通并保护放大器时电压与电流的关系。要了解这一关系，您需要考虑击穿电压 （vbr） 和钳位电压 （vc）。击穿电压 （vbr） 是 tvs 保护开始击穿或“接通”以及开始吸收大量电流的电压点。增大通过 tvs 的电流会导致其电压稍微上升。这一上升源自串联电阻器以及该器件的自热。钳位电压是指在特定大电流下整个 tvs 的电压。在本示例中，13.7a 电流下的钳位电压是 29.2v（见表 1 中的 400w 选项）。tvs 的目的是将电压限制在放大器绝对最大额定值以下。整个 tvs 的实际电压取决于通过它的电流，而且该电压将介于击穿电压和钳位电压之间。
在图 2 中您可以看到，v-i 特性在击穿电压和钳位电压之间呈线性。可使用这两个点导出该线路公式。该公式可用来确定击穿电流与最大峰值脉冲电流之间任意电流对应的反向电压。我们可根据预期的故障电流利用该公式得出应用的最大电压。公式 （1） 至 （3） 是线性方程以及本示例斜率与截距的推导。
图 2：tvs 器件的 v-i 曲线
4. 估算出现故障时流过 tvs 的最差情况电流，并计算相应的故障电压。最终目的是将过压条件限制在安全水平内（即在绝对最大电源电压以下）。要估算故障电压，我们必须知道我们能够预期的故障电流。预期的故障电流取决于应用。如果电源连接至电感负载或者应用处于存在强电磁场的位置，故障电流可能会比较高。如果电源表现良好而且应用处于屏蔽环境，故障电流可能会比较低。进行这样的估算，不仅可能要涉及一些工程设计假设，而且还将取决于您对估算的保守程度。对于我们所举示例中的问题，我选择的故障电流假设为 2a。我们可通过计算线性方程得出 23.14v 的故障电压限值，见公式 （4）。
5. 对比故障电压与放大器绝对最大电压。在本示例中，绝对最大电压是 ±20v（见表 2），而最大故障电压则是 2a 故障电流下的 23.14v（见公式 （4））。在理想情况下，故障电压小于或等于绝对最大值，才能避免损坏器件。该 tvs 不符合这一要求。如果故障电压大于绝对最大电压，可考虑以下三种选项。
a. 使用较低额定电源电压。在本示例中，我们将额定电源电压设定为 ±18v，因此对峙电压 （vr） 也被设定为 18v。该器件的绝对最大值是 ±20v。工作电压与绝对最大电压之间只有 2v 的差别。如果故意使用较低的额定电源电压（例如 ±15v），那么额定电源电压与绝对最大电压之间的裕度就会变大（例如 vmax – vnominal = 20v – 15v = 5v）。裕度增大后，就更容易找到符合要求的 tvs。
b. 寻找更好的 tvs。有些 tvs 二极管可能比其它产品更适合您的应用。在本示例中，我们选择了具有 400w 额定功率的 tvs。选择具有更高额定功率的器件可降低 2a 电流下的故障电压。本示例中如果使用 5000w tvs 取代 400w 器件，可将故障电压从 23.14v 降低到 22.59v。不过，您永远都找不到具有理想特性的器件，因为制造工艺都有局限。
c. 使用即便故障电压大于绝对最大电源电压的 tvs。从表面上看，似乎允许故障电压超过绝对最大参数值是个极为糟糕的主意。但是，有保护总比没保护强。在很多情况下，找到在整个工作电压范围内关闭、而在绝对最大电源极限到来之前立即导通的 tvs 并不现实。需要记住的一点是绝对最大技术参数存在一定的裕度。
6. 考虑成本。将搜索范围缩小到一定程度后，可通过考虑成本来做最后的选择。
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