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摘要:本文主要介绍TVS的工作原理、关键参数和选型。 ![]() TVS(Transient Voltage Suppressors,瞬态电压抑制器)又称雪崩击穿二极管,是一种高效电路保护器件,主要是保护电路不受瞬态高压尖峰脉冲(静电或雷击浪涌)的冲击。 一、工作原理TVS是采用半导体工艺制成的单个PN结或多个PN结集成的器件,其电气特性是由PN结面积、掺杂浓度及晶片阻质决定的,耐突波电流的能力与PN结面积成正比。 当TVS的反向电压小于工作电压 V R W M V_{RWM} VRWM时,TVS处于高阻态,基本可认为不导通;当TVS的反向电压大于击穿电压 V B R V_{BR} VBR时,TVS的阻抗开始迅速下降,并且TVS的反向电压将几乎不变。 ![]() 当TVS受到反向瞬态高压尖峰脉冲冲击时,TVS以ps级的速度由高阻抗变为低阻抗,将大部分的能量快速吸收,并且钳位电压由击穿电压上升至最大箝位电压 V C V_C VC,随着脉冲电流呈指数下降,钳位电压也逐渐下降,恢复到原来状态,有效地保护电子线路元器件免受各种形式的脉冲冲击。 ![]() 由于静电和浪涌的能量、峰值电流、波形和持续时间的不同,TVS在受到静电和浪涌冲击时的电压波形也不同。 TVS受到+8KV的ESD冲击时的电压波形 ![]() TVS受到峰值电流 I P P I_{PP} IPP为62A的浪涌(8/20uS)冲击时的电压波形 ![]() 最大反向工作电压就是当TVS管反向工作电流为 I R I_R IR(一般 I R I_R IR为0.1uA~1uA)时,TVS管两端的电压值。此时TVS管处于不导通状态,即最大反向工作电压为TVS管不导通的最高电压。 为了不影响电路正常工作,应使 V R W M V_{RWM} VRWM不低于被保护器件或线路的正常工作电压;从漏电的角度考虑,特别是超低功耗产品设计中, V R W M V_{RWM} VRWM与被保护信号的工作电压差值越大,漏电流则越小。 2.2 漏电流 I R I_R IR漏电流是指在最大反向工作电压条件下,流过TVS的最大电流。一般来说, I R I_R IR是个uA级以下的小电流,此时TVS管只有很小的功耗。 当TVS用于高阻抗电路时,漏电流是一个重要的参数,比如:在ADC采样电路中,漏电流可能影响ADC的采样值。 2.3 击穿电压 V B R V_{BR} VBR击穿电压就是当TVS管反向工作电流为 I B R I_{BR} IBR(一般 I B R I_{BR} IBR为1mA~10mA)时,TVS管两端的电压值。击穿电压是TVS管导通的标志,当反向电压超过击穿电压,随着反向电压增大,反向电流将急剧增加。 通常击穿电压和最大反向工作电压有如下公式: V R W M = ( 0.8 ∼ 0.9 ) V B R (1) V_{RWM}=(0.8\sim0.9)V_{BR}\tag{1} VRWM=(0.8∼0.9)VBR(1) 2.4 最大脉冲峰值电流 I P P I_{PP} IPP最大反向脉冲峰值电流是指TVS按照IEC61000-4-5或GB/T 17626.5标准,使其工作在规定的电流脉冲(8/20uS或10/1000uS)波形下,TVS允许通过的最大峰值电流。 如果data sheet中只标注了8/20uS脉冲下的峰值电流,我们可以通过峰值脉冲功率-时间曲线进行转换,来获得10/1000uS脉冲波形的峰值电流。 ![]() 在1000uS时,峰值功率大致为65W,并且又因为TVS能够承受不损坏自身的电压是固定的,所以10/1000uS波形下的峰值功率为:65W/15V=4.3A。 注:ESD5651N的最大钳位电压为15V。 对于data sheet中没有上述关系图的TVS,可以按照保守点的经验值估算:相同的TVS在8/20uS的脉冲下测得的峰值电流将是10/1000uS脉冲下的5倍。 2.5 最大箝位电压 V C ( m a x ) V_{C(max)} VC(max)最大箝位电压是指在峰值电流为 I P P I_{PP} IPP的8/20uS脉冲作用下TVS两端箝住的电压,一般取30ns时的电压值。 V C ( m a x ) V_{C(max)} VC(max)应小于后级被保护电路最大可承受的瞬态安全电压,否则后级被保护电路将损坏。 最大箝位电压与击穿电压之比称为箝位系数,即:箝位系数= V C ( m a x ) V_{C(max)} VC(max)/ V B R V_{BR} VBR,一般箝位系数为1.3左右。 ![]() 当对TVS施加ESD时,可通过下图电路测量出TVS两端的电压波形,从而可清晰地知道TVS在ESD作用下的箝位电压和反应时间。 ![]() 脉冲峰值功率是指在规定的脉冲条件下,TVS瞬间能承受的最大功率值,反映了TVS浪涌抑制能力。 TVS的 P P K P_{PK} PPK取决于脉冲峰值电流 I P P I_{PP} IPP和最大箝位电压 V C ( m a x ) V_{C(max)} VC(max),但是除此以外,还和脉冲波形、脉冲时间及环境温度有关。 所以最终TVS的脉冲峰值功率计算公式为: P P K = K 1 ∗ K 2 ∗ I P P ∗ V C m a x K 3 (2) P_{PK}=\frac{K_1*K_2*I_{PP}*V_{Cmax}}{K_3}\tag{2} PPK=K3K1∗K2∗IPP∗VCmax(2) 式中 K 1 K_1 K1为功率系数, K 2 K_2 K2为温度系数, K 3 K_3 K3为时间系数。 功率系数 K 1 K_1 K1取值如表2.1,8/20uS的电流波可认为是标准波。 表2.1 常见波形的功率系数![]() 温度系数 K 2 K_2 K2可通过data sheet中的功率降额 VS 环境温度曲线直接获取。 ![]() 时间系数 K 3 K_3 K3可根据峰值脉冲功率-时间曲线直接按比例转换。 ![]() 结电容是指TVS的寄生电容,它由PN结面积和反向电压决定。同一个系列的TVS,功率越大,结面积就越大,寄生电容也越大;同一个TVS的结电容随反向电压的增加而减小,在击穿时减到最小。 ![]() 参考罗广孝、崔翔等人的《TVS静电抑制器等效电路参数估算及应用》可知,结电容的大小会影响TVS的响应时间,电容越大,TVS响应时间越长。 另外结电容也会影响电路中信号的传输质量,结电容越大,对信号影响越大。所以针对不同的信号,特别是高速信号,需要选择合适的结电容才能保证正常的通信,表2.2为德州仪器(TI)关于常见接口中的结电容的推荐值。 表2.2 常见接口中TVS结电容推荐表 接口ESD电容建议值TI推荐产品GPIO |
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