深度解析TVS關鍵參數(shù)及選型技巧

提到TVS，大部分電子工程師基本都知道是用來端口防護的，防止端口瞬間的電壓沖擊造成后級電路的損壞。由于其在電路中的重要的地位，因此，針對TVS的選型，很多廠家都是直接給推薦電路，直接告訴設計者答案選擇哪個器件，卻很少對選型過程提供理論計算，大部分的電子工程師針對TVS選型的時候，老人憑經(jīng)驗，新人憑參考，一旦更換廠家或者更換測試條件，就無從下手了，本文就專門解決該問題，讓新人老人對TVS選型都能得心應手。

TVS工作原理

TVS（Transient Voltage Suppressors），即瞬態(tài)電壓抑制器，又稱雪崩擊穿二極管。它是采用半導體工藝制成的單個 PN 結(jié)或多個 PN 結(jié)集成的器件。TVS 有單向與雙向之分，單向 TVS 一般應用于直流供電電路，雙向 TVS 應用于電壓交變的電路。如圖 1 所示，應用于直流電路時單向 TVS 反向并聯(lián)于電路中，當電路正常工作時，TVS 處于截止狀態(tài)（高阻態(tài)），不影響電路正常工作。當電路出現(xiàn)異常過電壓并達到TVS（雪崩）擊穿電壓時，TVS 迅速由高電阻狀態(tài)突變?yōu)榈碗娮锠顟B(tài)，泄放由異常過電壓導致的瞬時過電流到地，同時把異常過電壓鉗制在較低的水平，從而保護后級電路免遭異常過電壓的損壞。當異常過電壓消失后，TVS 阻值又恢復為高阻態(tài)。

圖1?TVS工作原理

TVS關鍵參數(shù)

工欲善其事，必先利其器，要用好TVS，必須先了解其關鍵的參數(shù)。

(1) Vrwm截止電壓：

TVS 的最高工作電壓，可連續(xù)施加而不引起 TVS 劣化或損壞的最高工作峰值電壓或直流峰值電壓。對于交流電壓，用最高工作電壓有效值表示，在 Vrwm?下，TVS 認為是不工作的，即是不導通的。換一句話，電路的最高工作電壓必須小于Vrwm，否則將會導致TVS動作導致電路異常。

(2) IR?漏電流：

漏電流，也稱待機電流。在規(guī)定溫度和最高工作電壓條件下，流過 TVS 的最大電流。TVS 的漏電流一般是在截止電壓下測量，對于某一型號 TVS, IR?應在規(guī)定值范圍內(nèi)。對 TVS 兩端施加電壓值為 Vrwm?，從電流表中讀出的電流值即為 TVS的漏電流?IR?。對于同功率和同電壓的 TVS，在?Vrwm?≤10V 時，雙向 TVS 漏電流是單向 TVS 漏電流的 2 倍。對于一些模擬端口，漏電流會影響AD的采樣值，所以TVS的漏電流越小越好。

(3)?VBR?擊穿電壓

擊穿電壓，指在 V-I 特性曲線上，在規(guī)定的脈沖直流電流 IT?或接近發(fā)生雪崩的電流條件下測得 TVS 兩端的電壓。測試的電流?IT一般選取10mA左右，施加的電流的時間不應超過400ms，以免損壞器件，VBR MIN?和 VBR MAX?是 TVS 擊穿電壓的一個偏差，一般 TVS 為±5%的偏差。測量時，VBR?落在?VBR?MIN?和 VBR MAX之間視為合格品。

(4)?IPP?峰值脈沖電流，VC?鉗位電壓

峰值脈沖電流，給定脈沖電流波形的峰值。TVS 一般選用 10/1000μs 電流波形。鉗位電壓，施加規(guī)定波形的峰值脈沖電流 IPP?時，TVS 兩端測得的峰值電壓。IPP?及 VC?是衡量 TVS 在電路保護中抵抗浪涌脈沖電流及限制電壓能力的參數(shù)，這兩個參數(shù)是相互聯(lián)系的。對于 TVS 在防雷保護電路中的鉗位特性，可以參考?VC?這個參數(shù)。對于相同型號 TVS，在相同 IPP?下的V C 越小，說明 TVS 的鉗位特性越好。TVS 的耐脈沖電流沖擊能力可以參考?IPP?，同型號的 TVS，IPP越大，耐脈沖電流沖擊能力越強。

(5)?結(jié)電容CI，漏電流IR；

結(jié)電容是TVS中的寄生電容，在高速IO端口保護需要重點關注，過大的結(jié)電容可能會影響信號的質(zhì)量。漏電流主要帶來了功率的損耗，或者是在模擬信號中，會影響AD信號的采樣值。

圖2，廠家一般都是提供10/1000μs的測試波形

圖3?TVS的關鍵參數(shù)

TVS選型過程

了解了TVS的基本參數(shù)，我們就開始進入最重要的TVS選型的過程了。選擇TVS之前，我們首先要明白選擇的終極目標：

1.電壓合適能保護后級電路；

2.引入的TVS的結(jié)電容不能影響電路；

3.TVS功率余量充足，滿足測試標準，且不能比保險管先掛。選型的過程可以按照以下的步驟進行：

(1)?選擇TVS最高工作電壓Vrmw；

(2)?選擇TVS鉗位電壓VC；

(3)?選擇TVS的功率；

(4)?評估漏電流IR的影響；

(5)?評估結(jié)電容的影響；

選擇TVS最高工作電壓Vrmw；

在電路正常工作情況下，TVS 應該是不工作的，即處于截止狀態(tài)，所以 TVS 的截止電壓應大于被保護電路的最高工作電壓。這樣才能保證 TVS 在電路正常工作下不會影響電路工作。但是 TVS 的工作電壓高低也決定了 TVS 鉗位電壓的高低，在截止電壓大于線路正常工作電壓的情況下，TVS 工作電壓也不能選取的過高，如果太高，鉗位電壓也會較高，所以在選擇 Vrwm 時，要綜合考慮被保護電路的工作電壓及后級電路的承受能力。要求Vrwm要大于工作電壓，否則工作電壓大于Vrwm會導致TVS反向漏電流增大，接近導通，或者雪崩擊穿，影響正常電路工作。綜合考慮，Vrwm可以參考以下的公式：

Vrwm≈1.1~1.2*VCC?；--------其中VCC為電路的最高工作電壓。

選擇選擇TVS鉗位電壓VC；

TVS 鉗位電壓應小于后級被保護電路最大可承受的瞬態(tài)安全電壓，VC?與 TVS 的雪崩擊穿電壓及 IPP?都成正比。對于同一功率等級的 TVS，其擊穿電壓越高 VC?也越高，所選TVS的最大箝位電壓Vc不能大于被防護電路可以承受的最大電壓。否則，當TVS鉗在Vc時會對電路造成損壞。Vc可以參考以下的公式：

VC＜Vmax ；-----其中Vmax為電路能承受的最高電壓.

選擇TVS的功率Pppm（或者Ipp）；

TVS 產(chǎn)品的額定瞬態(tài)功率應大于電路中可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率，理論上，TVS的功率越大越好，能夠承受更多的沖擊能量和次數(shù)，但是功率越高，TVS的封裝越大，價錢也越高，所以，TVS的功率滿足要求即可。對于不同功率等級的 TVS，相同電壓規(guī)格的 TVS 其 VC?值是一樣的，只是 IPP?不同。故 Pppm?與 Ippm成正比，Ippm?越大，Pppm?也越大。

對于某一電路，有對應的測試要求，設實際電路中的最大測試電流為 Iactual?，則 Iactual?可估算為：

Iactual=Uactual/Ri；---------其中?Uactual?為測試電壓，Ri為測試內(nèi)阻。

TVS 要通過測試，故實際電路中要求 10/1000μs 波形下 TVS 的最小功率 Pactual?為：-------其中di/dt為波形轉(zhuǎn)換系數(shù)，如實際測試波形為其他波形，如 8/20μs波形，建議di/dt取，如測試波形為 10/1000μs，取，實際選型中，TVS 應留有一定的裕量，TVS 的功率Pppm?選擇應遵循Pppm＞Pactual。

根據(jù)所選的TVS的結(jié)電容和漏電流評估影響

如果TVS 用在高速IO端口防護、模擬信號采樣、低功耗設備場合，就需要考慮結(jié)電容和漏電流的影響，兩則的參數(shù)越小越好。

TVS選型距離

數(shù)據(jù)都是無趣的，我們以實際的案例舉例。

電路的正常工作電壓VCC是24V，最高工作電壓Vmax是26V,后級電路可承受的最高瞬態(tài)電壓為50V，實驗的測試波形為 8/20μs波形，測試電壓500V，測試電源內(nèi)阻及PPTC的靜態(tài)電阻合計為2Ω。根據(jù)上述信息選擇合適的TVS。