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老司机教你选 TVS

2023/2/27 16:25:55      点击:
    1.  电路中为啥要加TVS


    顾名思义,TVS(Transient Voltage Suppressor),就是对电路中短暂存在的高电压进行抑制,以免此高电压对电路造成损害,或导致电路工作异常。那么工作的好好的电路中,怎么会突然出现瞬时高电压呢?主要有以下原因:


    ESD,积累的静电突然释放到电路中。人们用手触摸到设备,身上的静电打坏设备,是最常见的一种方式。除了人体,各种没有连到大地的物体,都可能会积累静电。我们把电路板设计好,怎么知道它在关键时刻能不能顶得住呢?总不能用手摸来摸去,看它坏没坏。这就有了抗静电实验标准IEC61000-4-2,其中人体模型HBM(Human Body Model)用来模拟人体放电,机器模型MM(Machine Model)用来模拟金属等物体放电,其中分为不同的严苛等级。


    我们知道:


    对于电容 i=c*du/dt 电压的突变,会导致大的感生电流


    对于电感 u=L*di/dt 电流的突变,会导致大的感生电压


    大的容性负载,感性负,电机,继电器的动作,常常会在电路中感生出数百伏的高电压。如果源端是感性的,比如汽车里发电机给蓄电池充电,把蓄电池突然拿掉(电流瞬间突变到0),也会在电路中感生出高电压。高频的电流跳变,所产生的电磁场,通过空间传播,在临近的电路中也能感生出尖峰电流。


    闪电,毫无疑问,如果电路板被闪电直接击中,那一定是被秒杀。而如果电路板有金属外壳,然后用粗的导电金属带连到大地,那应该没问题。但是电路板一般通过外部接入220V供电,或者有通讯电缆连出来,那情况就很危险了,即使没被直接击中,由于强烈的电磁场感生出的电压,也足以造成灭顶之灾。


    2.  如何选择防护器件


    对于雷击这种事件,需要在线路中依次放置放电管,压变电阻,TVS,才能较好的防护。放电管和压变电阻动作慢一些,但可以承受大电压,大电流,作为第一级防护。TVS反应超快,可以作为第二级防护。当然对于一般的应用来说,最主要的还是对ESD和感生瞬变电压的防护。


    我们设计一个产品,首先要明确,需要通过哪些标准,以及过什么等级。下面是最常采用的几个标准:


    IEC 61000-4-2  静电放电抗扰度;


    IEC 61000-4-4  电快速瞬变脉冲群抗扰度;


    IEC 61000-4-5  浪涌抗扰度;



    对于ESD静电放电(IEC 61000-4-2)来说,它的电压上升时间非常短(1ns左右),所以要求保护器件动作要非常迅速,而一个有利因素是,测试时放电间隔,一般会大于1S,所以不会有太多的能量冲击,这和实际情况比较相符。而对于快速脉冲群(IEC 61000-4-4)来说,它的电压上升时间比静电稍慢一些(5ns左右),但是重复频率特别高,大家在上面表里可以看到, 1秒钟之内,最少也有5千个高压脉冲,所以它对保护器件能经受的功率要求要大一些。


    对于IEC61000-4-5,浪涌测试来说,它的能量要大得多。倒不是因为它的电压有多高,而是因为它的脉冲宽度(数百微秒),是静电放电脉冲宽度(数十纳秒)的上千倍。我们选择保护器件,就要根据需要过的测试标准,有针对性地进行选择。



3.  认识TVS


我们知道对于二极管,一般来说,PN结加正向电压时导通,加反向电压时截止。说了一般,那肯定还有二般情况,就是反向电压超过一个限制后,二极管就不再是截止状态了,而是会发生雪崩击穿,或齐纳击穿,也可能两者都有。此时,反向电阻很小,导通电流很大,电压被钳制在一个比较固定的水平。TVS就是利用这一特性,来对后级电路进行保护。


TVS分为单向保护管(用于直流电路保护),和双向保护管(用于交流电路保护)。那么我们以Wayon一款双向TVS为例,来了解一下它的关键参数。



    图片来源于Wayon TVS手册


    TVS主要参数


    Vrwm (Maximum continuous Reverse Working Voltage ) 最高工作电压,或者说截止电压。就是说,加这个电压时,管子仍然是截止的,或者说漏过去的电流非常小,通常1nA 左右。那么超过这个最高工作电压,会怎么样呢?这里要注意,电压超过Vrwm后,TVS并不会马上动作,也不像有的文章说的会劣化,损坏,而是漏电流增加的速度快一些。


    VBR (Breakdown Voltage) 击穿电压。当电压超过此电压,漏电流开始急剧增加。这里所谓击穿,不能理解为器件损坏,而是正常动作。


    Vc (Clamping Voltage) 钳位电压。这也是一个重要指标,就是当一个电压很高的脉冲来了,TVS器件从截止状态,变为导通状态,电压被钳制在一个比较低的水平,电流从TVS通过,回流到地,从而保护了后级电路。



    Ipp (Peak Pulse Current) 峰值脉冲电流。器件所能承受的最大脉冲电流。注意是脉冲,脉冲,脉冲,重要的事情说三遍。如果连续通过这么大的电流,马上死翘翘。Ipp乘上Vc 基本上等于器件峰值功率Ppp(Peak Pulse Power)。我们评估器件时,如果脉冲宽度比较窄,那么最大电流可以超过Ipp,相反,如果脉冲宽度比较宽,电流小于Ipp 也会造成器件损坏。


    Cj(Junction Capacitor) 结电容。低速电路不用管,如果是高速电路,这个电容会导致信号变形。此电容越小越好。


    我们结合一个器件手册看一下:


  

    超过峰值功率/电流,会引起器件损坏。




    资料来源于Wayon TVS产品手册


    这里有争议的可能是Vrwm,也就是截止电压。如果工作电压是5V,那么选TVS器件的时候可以选Vrwm=5V的器件吗?我们的意见是可以选。理由是我们可以从特性曲线看到,即使工作电压有波动超过了5V,那漏电流仍然在可以接受的范围内。比如当电压波动到5.6V,此时漏电流只有1mA。而且我们在一些官方手册中,也可以找到例子。比如对于USB端口,电压5V,就用到了Vrwm=5V的器件。