TVS峰值脈沖功率：越高越好，對不對?

瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管最容易被誤解的額定值之一是峰值脈沖功率(P PP)。許多研發(fā)問雷卯電子工程師，將主要根據(jù)額定峰值脈沖功率來選擇電涌保護組件，并假設他們的系統(tǒng)將受到良好的保護。畢竟，合理地假設更高的額定功率意味著該器件可以吸收更高的瞬態(tài)電流，因此應該是更好的。雖然在選擇過程中可能會考慮峰值脈沖功率額定值，但不應僅根據(jù)該參數(shù)選擇器件。為了說明原因，讓我們回顧一下TVS峰值脈沖功率的定義。

什么是TVS峰值脈沖功率?

TVS二極管的峰值脈沖功率額定值定義為設備在給定脈沖條件下消耗的瞬時功率，并且是在給定瞬態(tài)事件期間TVS結中消耗的功率的度量。它通過以下關系式計算：P PP =V C xI PP，其中P PP =峰值脈沖功率(W)，V C =鉗位電壓(V)，I PP =峰值脈沖電流(A)。讓我們檢查一下每個參數(shù)的含義。

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圖1：峰值脈沖功率計算

TVS二極管與受保護的IC并聯(lián)連接(圖2)。在正常工作條件下，TVS二極管會對被保護電路產生高阻抗。在電氣過應力(EOS)事件期間，一旦電壓超過TVS擊穿電壓，該設備就會“開啟”并變?yōu)榈妥杩孤窂?，以將瞬態(tài)電流分流到地。該電流被定義為“峰值脈沖電流”。在指定的峰值脈沖電流下，器件兩端產生的電壓就是鉗位電壓。鉗位電壓必須低于被保護IC的故障電壓。TVS制造商雷卯電子竭盡全力開發(fā)降低TVS鉗位電壓同時保持高峰值脈沖電流處理能力的技術。

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圖2：TVS二極管連接

在繼續(xù)學習之前，重要的是要對峰值脈沖電流波形的指定方式有很好的了解。在瞬態(tài)條件下，TVS二極管會耗散器件結點的功率。TVS結設計用于處理給定結尺寸的高瞬態(tài)能量。對于給定的脈沖或脈沖寬度，我們將P PP定義為I PP和V C的乘積。由于能量乘以時間，因此這是量化設備能量處理能力的間接方法。在這種情況下，時間由脈沖持續(xù)時間給出。

國際標準測試波形

多數(shù)TVS二極管I PP和P PP額定值是使用行業(yè)標準的雙指數(shù)波形定義的，在IEC61000-4-5中最常用。IEC61000-4-5標準電流波形是一個雙指數(shù)，上升時間為8μS，衰減為20μs，即8/ 20μs，如圖3所示。

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圖3：雙指數(shù)波形(摘自IEC標準：電磁兼容性(EMC)–第4-5部分：測試和測量技術–抗浪涌測試，IEC61000-4-5，2014)

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圖4：各種波形能量大小示意

看一個實際示例，請考慮圖5中所示的峰值脈沖電流與鉗位電壓IV特性曲線。在此示例中，考慮了選擇TVS二極管的三個選項(TVS1，TVS2和TVS3)。要保護的IC的故障電壓為14V，根據(jù)IEC61000-4-5的要求，該應用需要10A的浪涌測試電流。這意味著，為了保護IC，對于10A及以上的峰值脈沖電流，TVS的鉗位電壓應低于14V。每個TVS器件都具有大約7V的相同擊穿電壓，并且根據(jù)IEC61000-4-5的額定最大峰值脈沖電流為20A。對于20A脈沖(P PP =20A * 15V)，TVS1 的P PP額定值為300W(對于20A脈沖，TVS2 的P PP額定值為400W(P PP=20A * 20V)，最后對于20A脈沖，TVS3 的P PP額定值為500W(P PP =20A * 25V)。TVS1被設計具有較低的鉗位特性，并且在器件導通的I未達到14V的IC的故障電壓PP 17A的，遠高于10A的要求。TVS2直到11A以下才達到14V鉗位。從理論上講，該器件可以保護IC，但是設計裕度很小。TVS3層夾在14V在I PP約為7A。換句話說，由于較高的鉗位特性，即使TVS保持不變，10A脈沖也可能損壞IC。在這種情況下，TVS1(300W)是最佳解決方案，盡管與TVS2(400W)和TVS3(500W)相比，峰值脈沖功率額定值較低。

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圖5：IV鉗位特性曲線

上面的例子說明了在考慮所有其他因素的情況下，較低的鉗位電壓將轉化為較低的P PP額定值，但保護級別更高。因此，實際上，峰值脈沖功率額定值是TVS在不損壞的情況下可以吸收多少功率的量度，但不能預測TVS對敏感電路的保護程度。更重要的是，集中于給定電流的鉗位電壓，以衡量TVS對電路的保護程度。

電子產品的接口防護需用過壓保護器件，很多工程師意識到要用保護器件，但由于選型不當或沒按照ESD電路PCB設計原則，造成產品靜電測試或EMC測試不通過，產品多次驗證測試，浪費人力財力，造成產品延遲上市的事情總有發(fā)生，或過度設計，造成成本壓力。

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