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1 TVS器件的特性及主要參數(shù)
1.1 TVS的器件特性
在規(guī)定的反向應(yīng)用條件下,TVS對受保護(hù)的線路呈高阻抗?fàn)顟B(tài)。當(dāng)瞬間電壓超過其擊穿電壓時,TVS就會提供一個低阻抗的路徑,并通過大電流方式使流向被保護(hù)元器件的瞬間電流分流到TVS二極管,同時將受保護(hù)元器件兩端的電壓限制在TVS的箝制電壓。當(dāng)過壓條件消失后,TVS又恢復(fù)到高阻抗?fàn)顟B(tài)。與陶瓷電容相比,TVS可以承受15 kV的電壓,但陶瓷電容對高壓的承受能力比較弱。5 kV的沖擊就會造成約10%陶瓷電容失效,而到10 kV時,其損壞率將高達(dá)到60%。
1.2 TVS器件的主要參數(shù)
(1)最小擊穿電壓VBR
當(dāng)TVS流過規(guī)定的電流時,TVS兩端的電壓稱為最小擊穿電壓,在此區(qū)域,TVS呈低阻抗的通路。在25℃時,低于這個電壓,TVS是不會發(fā)生雪崩擊穿的。
(2)額定反向關(guān)斷電壓VWM
VWM是TVS在正常狀態(tài)時可承受的電壓,此電壓應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的正常工作電壓。但它又需要盡量與被保護(hù)電路的正常工作電壓接近,這樣才不會在TVS工作以前使整個電路面對過壓威脅。按TVS的VBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散度,可把VBR分為5%和10%兩種,對于5%的VBR來說,VWM=0.85VBR腿;而對于10%的VBR來說,VWM=0.81VBR。
(3)最大峰值脈沖電流IPP
IPP是TVS在反向狀態(tài)工作時,在規(guī)定的脈沖條件下,器件允許通過的最大脈沖峰值電流。
(4)箝位電壓Vc
當(dāng)脈沖峰值電流Ipp流過TVS時,其兩端出現(xiàn)的最大電壓值稱為箝位電壓Vc。Vc和Ipp反映了TVS的浪涌抑制能力。通常把Vc與VBR之比稱為箝位因子(系數(shù)),其值一般在1.2~1.4之間。實(shí)際使用時,應(yīng)使Vc不大于被保護(hù)電路的最大允許安全電壓,否則被保護(hù)器件將面臨被損壞的可能。
(5)最大峰值脈沖功耗PM
PM通常是最大峰值脈沖電流Ipp與箝位電壓Vc的乘積,也就是最大峰值脈沖功耗。它是TVS能承受的最大峰值脈沖功耗值。在給定的最大鉗位電壓下,功耗PM越大,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、脈沖持續(xù)時間和環(huán)境溫度有關(guān)。而且,TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不可重復(fù)施加的。
(6)電容量C
TVS的電容是由其硅片的截面積和偏置電壓來決定的,它是在1 MHz特定頻率下測得的。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,電容C是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS的重要參數(shù)。
(7)漏電流IR
IR是最大反向工作電壓施加到TVS上時,TVS管的漏電流。當(dāng)TVS用于高阻抗電路時,這個漏電流IR一個重要參數(shù)。
2、TVS應(yīng)用的三大特點(diǎn)
1)將TVS二極管加在信號及電源線上,能防止微處理器或單片機(jī)因瞬間的脈沖,如靜電放電效應(yīng)、交流電源之浪涌及開關(guān)電源的噪音所導(dǎo)致的失靈。
2)靜電放電效應(yīng)能釋放超過10000V、60A以上的脈沖,并能持續(xù)10ms;而一般的TTL器件,遇到超過30ms的10V脈沖時,便會導(dǎo)至損壞。利用TVS二極管,可有效吸收會造成器件損壞的脈沖,并能消除由總線之間開關(guān)所引起的干擾(Crosstalk)。
3)將TVS二極管放置在信號線及接地間,能避免數(shù)據(jù)及控制總線受到不必要的噪音影響。
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3、選用TVS的注意事項(xiàng)
在選用TVS時,根據(jù)電路的具體情況,一般應(yīng)考慮以下幾個主要因素:
首先,由于雙向TVS可以在正反兩個方向吸收瞬時大脈沖功率,并把電壓箝制到預(yù)定水平。因此,若電路有可能承受來自兩個方向的浪涌電壓沖擊時,應(yīng)當(dāng)選用雙向TVS。雙向TVS一般適用于交流電路,單向TVS一般用于直流電路。另外,箝位電壓Vc不大于被保護(hù)電路的最大允許安全電壓。
其次,就是最大峰值脈沖功耗PM必須大于電路中出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率。但是,在實(shí)際應(yīng)用過程中,浪涌有可能重復(fù)地出現(xiàn),在這種情況下,即使單個的脈沖能量比TVS器件可承受的脈沖能量要小得多,但是,如果重復(fù)施加,這些單個的脈沖能量積累起來,也可能在某些情況下超過TVS器件所能承受的脈沖能量。因此,在電路設(shè)計(jì)時,必須在這點(diǎn)上認(rèn)真考慮并選用合適的TVS器件,以使其在規(guī)定的間隔時間內(nèi),重復(fù)施加脈沖能量的累積不至于超過TVS器件的脈沖能量額定值。
第三,在實(shí)際應(yīng)用過程中,對最大反向工作電壓必須有正確的選取,一般原則是以交流電壓的1.4倍來選取TVS管的最大反向工作電壓。直流電壓則按1.1~1.2倍來選取TVS管的最高反向工作電壓。
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4、TVS在電路保護(hù)設(shè)計(jì)中的典型應(yīng)用
在實(shí)際的應(yīng)用電路中,處理瞬時脈沖對器件損害的最好辦法,就是將瞬時電流從敏感器件引開。為達(dá)到這一目的,將TVS在線路板上與被保護(hù)線路并聯(lián)。這樣,當(dāng) 瞬時電壓超過電路正常工作電壓后,TNS將發(fā)生雪崩擊穿,從而提供給瞬時電流一個超低阻抗的通路,其結(jié)果是瞬時電流通過TVS被引開,從而避開被保護(hù)器 件,并且在電壓恢復(fù)正常值之前使被保護(hù)回路一直保持截止電壓。在此之后,當(dāng)瞬時脈沖結(jié)束以后,TVS二極管再自動恢復(fù)至高阻狀態(tài),整個回路進(jìn)入正常電壓狀 態(tài)。
4.1 TVS在交流電路中的應(yīng)用
圖1所示是一個雙向TVS在交流電路中的應(yīng)用電路。應(yīng)用TVS可以有效地抑制電網(wǎng)帶來的過載脈沖,從而起到保護(hù)整流橋及負(fù)載中所有元器件的作用。圖1中的TVS箝位電壓應(yīng)不大于電路的最大允許電壓。
圖1 雙向TVS在交流電路中的應(yīng)用電路
4.2 用TVS保護(hù)直流穩(wěn)壓電源
圖2是一個直流穩(wěn)壓電源,在其穩(wěn)壓輸出端加上TVS,可以保護(hù)使用該電源的儀器設(shè)備,同時還可以吸收電路中晶體管的集電極到發(fā)射極間的峰值電壓,從而保護(hù)晶體管。建議在每個穩(wěn)壓源的輸出端增加一個TVS管,這樣可以大幅度地提高整機(jī)的可靠性。
圖2 TVS保護(hù)直流穩(wěn)壓電源
4.3 用TVS保護(hù)晶體管電路
各種瞬變電壓能使晶體管的EB結(jié)或CE結(jié)擊穿而損壞,特別是晶體管集電極有感性(線圈、變壓器、電動機(jī))負(fù)載時,通常會產(chǎn)生高壓反電勢,因而可能使晶體管損壞。在實(shí)際應(yīng)用中,建議采用TVS作為保護(hù)器件。圖3所示為TVS保護(hù)晶體管的四種電路實(shí)例。
圖3 TVS保護(hù)晶體管電路
4.4 用TVS保護(hù)集成運(yùn)放
集成運(yùn)放對外界電應(yīng)力非常敏感。因此,在使用運(yùn)放的過程中,如果因操作失誤或采取了不正常的工作條件,往往會出現(xiàn)過大的電壓或電流,特別是浪涌和靜電脈沖,從而很容易使運(yùn)放受損或失效。圖4所示是用TVS在運(yùn)放差模輸入端防止過壓損傷的保護(hù)電路。
圖4 TVS在運(yùn)放差模輸入端防止過壓損傷的保護(hù)電路
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第一講:解析雷電和浪涌的產(chǎn)生、危害及防護(hù)措施
第三講:壓敏電阻如何保護(hù)電子設(shè)備不受雷電、浪涌的損壞
第四講:氣體放電管如何保護(hù)電路不受雷電浪涌的損壞