TVS瞬態(tài)干擾抑制器性能與應用

瞬態(tài)干擾
瞬態(tài)干擾指交流電網(wǎng)上出現(xiàn)的浪涌電壓、振鈴電壓、火花放電等瞬間干擾信號，其特點是作用時間極短，但電壓幅度高、瞬態(tài)能量大。瞬態(tài)干擾會造成控制系統(tǒng)的電源電壓的波動；當瞬態(tài)電壓疊加在控制系統(tǒng)的輸入電壓上，使輸入控制系統(tǒng)的電壓超過系統(tǒng)內部器件的極限電壓時，便會損壞控制系統(tǒng)內部的設備，因此必須采用抑制措施。

硅瞬變吸收二極管
硅瞬變吸收二極管的工作有點象普通的穩(wěn)壓管，是箝位型的干擾吸收器件；其應用是與被保護設備并聯(lián)使用。 硅瞬變電壓吸收二極管具有極快的響應時間(亞納秒級)和相當高的浪涌吸收能力，及極多的電壓檔次。可用于保護設備或電路免受靜電、電感性負載切換時產生的瞬變電壓，以及感應雷所產生的過電壓。 TVS管有單方向(單個二極管)和雙方向(兩個背對背連接的二極管)兩種，它們的主要參數(shù)是擊穿電壓、漏電流和電容。使用中TVS管的擊穿電壓要比被保護電路工作電壓高10％左右，以防止因線路工作電壓接近TVS擊穿電壓，使TVS漏電流影響電路正常工作；也避免因環(huán)境溫度變化導致TVS管擊穿電壓落入線路正常工作電壓的范圍。 TVS管有多種封裝形式，如軸向引線產品可用在電源饋線上；雙列直插的和表面貼裝的適合于在印刷板上作為邏輯電路、I/O總線及數(shù)據(jù)總線的保護。
TVS的特性
TVS的電路符號和普通的穩(wěn)壓管相同。其電壓-電流特性曲線如圖1所示。其正向特性與普通二極管相同，反向特性為典型的PN結雪崩器件。圖2是TVS的電流-時間和電壓-時間曲線。在浪涌電壓的作用下，TVS兩極間的電壓由額定反向關斷電壓VWM上升到擊穿電壓VBR，而被擊穿。隨著擊穿電流的出現(xiàn)，流過TVS的電流將達到峰值脈沖電流IPP，同時在其兩端的電壓被箝位到預定的最大箝位電壓VC以下。其后，隨著脈沖電流按指數(shù)衰減，TVS兩極間的電壓也不斷下降，最后恢復到初態(tài)，這就是TVS抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖功率，保護電子元器件的過程。當TVS兩極受到反向高能量沖擊時，它能以10~12s級的速度，將其兩極間的阻抗由高變低，吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電位箝位于預定值，有效地保護電子設備中的元器件免受浪涌脈沖的損害。TVS具有響應時間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓容易控制、體積小等優(yōu)點，目前已廣泛應用于家用電器、電子儀表、通訊設備、電源、計算機系統(tǒng)等各個領域。
TVS的主要參數(shù)
?最大反向漏電流ID和額定反向關斷電壓VWM。VWM是TVS最大連續(xù)工作的直流或脈沖電壓，當這個反向電壓加于TVS的兩極間時它處于反向關斷狀態(tài)，流過它的電流應小于或等于其最大反向漏電流ID。
?最小擊穿電壓VBR和擊穿電流IR。VBR是TVS最小的擊穿電壓。在25℃時，低于這個電壓TVS是不會發(fā)生雪崩的。當TVS流過規(guī)定的1mA電流(IR)時，加于TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓VBR。按TVS的VBR與標準值的離散程度，可把VBR分為5％和10％兩種。對于5％的VBR來說，VWM=0.85VBR；對于10％的VBR來說，VWM=0.81VBR。

圖1 TVS電壓－電流特性

圖2 TVS電壓(電流)時間特性

?最大箝位電壓VC和最大峰值脈沖電流IPP。當持續(xù)時間為20mS的脈沖峰值電流IPP流過TVS時，在其兩端出現(xiàn)的最大峰值電壓為VC。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC與VBR之比稱為箝位因子，一般在1.2~1.4之間。
?電容量C。電容量C是由TVS雪崩結截面決定的，是在特定的1MHz頻率下測得的。C的大小與TVS的電流承受能力成正比，C太大將使信號衰減。因此，C是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS的重要參數(shù)。
?最大峰值脈沖功耗PM。PM是TVS能承受的最大峰值脈沖功率耗散值。在給定的最大箝位電壓下，功耗PM越大，其浪涌電流的承受能力越大；在給定的功耗PM下，箝位電壓VC越低，其浪涌電流的承受能力越大。另外，峰值脈沖功耗還與脈沖波形、持續(xù)時間和環(huán)境溫度有關。而且，TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重復的，器件規(guī)定的脈沖重復頻率(持續(xù)時間與間歇時間之比)為0.01％。如果電路內出現(xiàn)重復性脈沖，應考慮脈沖功率的累積，有可能損壞TVS。
?箝位時間TC。TC是從零到最小擊穿電壓VBR的時間。對單極性TVS小于1×10-12s；對雙極性TVS小于10×10-12s。
TVS的分類
TVS器件按極性可分為單極性和雙極性兩種；按用途可分為通用型和專用型；按封裝和內部結構可分為：軸向引線二極管、雙列直插TVS陣列、貼片式和大功率模塊等。軸向引線的產品峰值功率可以達到400W、500W、600W、1500W和5000W。其中大功率的產品主要用在電源饋線上，低功率產品主要用在高密度安裝的場合。對于高密度安裝的場合還可以選擇雙列直插和表面貼裝的封裝形式。
4TVS的選用
?確定被保護電路的最大直流或連續(xù)工作電壓，電路的額定標準電壓和最大可承受電壓。
?TVS的額定反向關斷電壓VWM應大于或等于被保護電路的最大工作電壓。若選用的VWM太低，器件可能進入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。
?TVS的最大反向箝位電壓VC應小于被保護電路的損壞電壓。
?在規(guī)定的脈沖持續(xù)時間內，TVS的最大峰值脈沖功率PM必須大于被保護電路可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。在確定了最大箝位電壓后，其峰值脈沖電流應大于瞬態(tài)浪涌電流。一般TVS的最大峰值脈沖功率是以10/1000ms的非重復脈沖給出的，而實際的脈沖寬度是由脈沖源決定的，當脈沖寬度不同時其峰值功率也不同。如某600WTVS，對1000ms脈寬最大吸收功率為600W，但是對50ms脈寬吸收功率就可達到2100W，而對10ms的脈寬最大吸收功率就只有200W了。而且吸收功率還和脈沖波形有關：如果是半個正弦波形式的脈沖，吸收功率就要減到75％，若是方波形式的脈沖，吸收功率就要減到66％。
?平均穩(wěn)態(tài)功率的匹配對于需要承受有規(guī)律的、短暫的脈沖群沖擊的TVS，如應用在繼電器、功率開關或電機控制等場合，有必要引入平均穩(wěn)態(tài)功率的概念。舉例說明，在一功率開關電路中會產生120Hz，寬度為4ms，峰值電流為25A的脈沖群。選用的TVS可以將單個脈沖的電壓箝位到11.2V。此中平均穩(wěn)態(tài)功率的計算為：脈沖時間間隔等于頻率的倒數(shù)1/120=0.0083s，峰值吸收功率是箝位電壓與脈沖電流的乘積11.2V×25A=280W，平均功率則為峰值功率與脈沖寬度對脈沖間隔比值的乘積，即280×(0.000004S/0.0083S)=0.134W。也就是說，選用的TVS平均穩(wěn)態(tài)功率必須大于0.134W。
?對于數(shù)據(jù)接口電路的保護，還必須注意選取具有合適電容C的TVS器件。
?根據(jù)用途選用TVS的極性及封裝結構。交流電路選用雙極性TVS較為合理；多線保護選用TVS陣列更為有利。
?溫度考慮瞬態(tài)電壓抑制器可以在－55℃~＋150℃之間工作。如果需要TVS在一個變化的溫度下工作，由于其反向漏電流ID是隨溫度增加而增大；功耗隨TVS結溫增加而下降，從＋25℃到＋175℃，大約線性下降50％；擊穿電壓VBR隨溫度的增加按一定的系數(shù)增加。因此，必須查閱有關產品資料，考慮溫度變化對其特性的影響。
TVS管在使用中應注意的事項
對瞬變電壓的吸收功率(峰值)與瞬變電壓脈沖寬度間的關系。手冊給的只是特定脈寬下的吸收功率(峰值)，而實際線路中的脈沖寬度則變化莫測，事前要有估計。對寬脈沖應降額使用。
對小電流負載的保護，可有意識地在線路中增加限流電阻，只要限流電阻的阻值適當，不會影響線路的正常工作，但限流電阻對干擾所產生的電流卻會大大減小。這就有可能選用峰值功率較小的TVS管來對小電流負載線路進行保護。
對重復出現(xiàn)的瞬變電壓的抑制，尤其值得注意的是TVS管的穩(wěn)態(tài)平均功率是否在安全范圍之內。
降額使用
作為半導體器件的TVS管，要注意環(huán)境溫度升高時的降額使用問題。 特別要注意TVS管的引線長短，以及它與被保護線路的相對距離。 當沒有合適電壓的TVS管供采用時，允許用多個TVS管串聯(lián)使用。串聯(lián)管的最大電流決定于所采用管中電流吸收能力最小的一個。而峰值吸收功率等于這個電流與串聯(lián)管電壓之和的乘積。
TVS管的結電容是影響它在高速線路中使用的關鍵因素，在這種情況下，一般用一個TVS管與一個快恢復二極管以背對背的方式連接，由于快恢復二極管有較小的結電容，因而二者串聯(lián)的等效電容也較小，可滿足高頻使用的要求。

結語
各種電子系統(tǒng)及通信網(wǎng)絡等，經常會受到外來的電磁干擾，這些干擾主要來自電源線路的暫態(tài)過程、雷擊閃電、以及宇宙射電等。這些干擾會使得系統(tǒng)動作失誤甚至硬件損壞。對這些問題，要做好全面的預防保護措施，設計選用合適的硅瞬變吸收二極管是解決瞬態(tài)干擾的良好方案。但隨著電子工業(yè)界探索更多地提高效率和增加功能、集成度不斷提高的電子產品，設計提供完整的電路保護解決方案，將形成電路保護技術的又一次革命。

參考文獻
1 周志敏.雷電形成與建筑物整體防雷技術.電氣世界，2002(3)
2 周志敏.浪涌電壓抑制器及應用.電源技術應用，2001(11)
3 王寧.瞬態(tài)電壓抑制器的應用.電源技術，2001(5)

作者簡介：周志敏，男，1985年畢業(yè)于哈爾濱建筑大學(現(xiàn)哈爾濱大學)自動化專業(yè)，現(xiàn)為高級工程師，主要從事電力和自動化系統(tǒng)抗干擾技術及管理工作。