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        大話硬件
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        一篇文章說清楚TVS管

        這周四在公司見了一個供應商,他們主要做防護器件,產品用在汽車電子上比較多。在聊天的過程中了解到他們做得最好的是TVS。一年的銷售額大概在幾個億。有自己的研發場地和晶圓廠,目前半導體競爭還是比較激烈,還不是我司的主力供貨商,但這并不影響我問他們專業的問題。

        這里其實有個容易被很多硬件工程師忽視的點——對供應商的“管控”能力也是硬件工程師必備技能之一。這里的“管控”并不是需要去管理供應商,而是和他們創造一種和諧的合作氛圍。在新技術迭代,芯片遇到問題了,新方案評估,平時遇到不懂的專業問題,供應商是我們的資源和請教問題的對象。

        因此,這篇文章就分享總結TVS相關內容。

        1.TVS管介紹

        瞬變電壓抑制二極管也被稱為TVS管,英文名Transient Voltage Suppression,從TVS的中文名可以看出,TVS管對電壓的響應速度比較快,而且能夠抑制電壓的變化,且屬于二極管中的一種器件。因此,TVS管會被用在電壓鉗位的場合。

        瞬態電壓抑制器的工作類似于普通的穩壓管,是鉗位型的干擾吸收器。其應用是與被保護設備并聯使用,瞬態電壓抑制器具有極快的響應時間(亞納秒級)和相當高的浪涌吸收能力,瞬態電壓抑制器可用于保護設備或電路免受靜電,電感性負載切換時產生的瞬變電壓以及感應所產生的過電壓。

        TVS管的工作原理:TVS管和被保護電路并聯,當電壓超過TVS管的鉗位電壓時,TVS管立馬開始工作導通,將大部分電流通過自身低阻抗分流到地上,且此時TVS管兩端的電壓被鉗位在某一個固定的值,以至于不會因為過壓而損壞后級被保護的電路,當過電壓消失后,TVS管由鉗位工作狀態變為不工作的狀態,此時TVS管不會動作,電路恢復正常。

        結合器件參數,可以表述為:在浪涌電壓的作用下,TVS兩極間的電壓由額定反向關斷電壓上升到擊穿電壓而被擊穿,隨著擊穿電流的出現,流過TVS的電流將達到峰值脈沖電流。同時在其兩端的電壓被鉗位到預定的最大鉗位電壓以下。其后,隨著脈沖電流按指數衰減,TVS兩極間的電壓也不斷下降,最后恢復到初態,這就是TVS抑制可能出現的浪涌脈沖干擾,保護電路的過程。

        整個過程工作原理示意圖如下:

        TVS管器件有直插型封裝,貼片,單向,雙向,具體如下圖所示:

        從上面的實物外形可以看出,TVS管的封裝和二極管的封裝基本一致,也正好說明了TVS管是屬于二極管中的一種類型。既然TVS管是屬于二極管,那么TVS管的伏安特性曲線肯定和二極管有相似的地方。

        TVS transient voltage suppressor 是基于半導體硅材料,通過功率半導體工藝加工完成的,能夠起到瞬態電壓防護的一種半導體器件

        常規的TVS處理的電壓范圍從5v~550V,電流從幾A~幾百A。(10/1000us)不等。TVS是干精細活的器件,主要應用于ESD,浪涌二次側的防護。

        TVS管內部的結構如下圖所示:

        2. TVS管伏安特性曲線

        由于TVS管有單向和雙向之分,單向可以看成是在雙向的基礎上增加一個二極管,因此伏安特性曲線以分析雙向為主。

        從下面的雙向TVS管伏安特性曲線可以看出,兩邊是對稱的,在分析的時候,只需要關注一邊的特性即可。

        根據TVS管的伏安特性曲線可以知 ,當電壓沒有超過某個值是VRWM, 此時流過TVS管的電流很小,當電壓超過VC時,此時流過TVS管的電壓基本不變,而流過的電流瞬間增大,因此可以起到電壓鉗位的作用。在下面的小節中將對TVS管伏安特性曲線上的參數進行詳細的說明。

        3. TVS管關鍵參數

        下面是君耀電子的P6SMB型的TVS管器件參數

        下面是音特電子SMF型TVS管的規格書

        從上面兩份規格書可以看出,TVS管幾個關鍵的參數分別為:

        1) Reverse Stand-off Voltage VRWM(V)

        這個參數是TVS管的可承受的反向電壓,一般是寫成VRWM,解釋為Peak Reverse Working Voltage,反向工作電壓,最大工作電壓,截止電壓等等。也就是當施加在TVS管兩端的電壓,不會引起TVS管工作,這個電壓是直流電壓或者交流電壓峰值,在VRWM電壓下,TVS管認為是不導通的。TVS的最大額定直流工作電壓參數,也可被認為是所保護電路的工作電壓。

        (2) Reverse Leakage @RWM  IR(uA)

        IR被稱為漏電流,待機電流。在伏安曲線上可以看到,這個IR對應的電壓是Vrwm,也就是IR所測試到的條件,此時TVS管工作在截止狀態。IR是在最高不工作電壓下測到的電流,如果加在TVS管兩端的電壓降低, 此漏電流會減小,同時溫度也會對其產生影響。

        VRWM和IR的測試方法如下圖所示

        在君耀電子和手冊中有提到,當WRMM<10V時,對于同功率和同電壓的TVS,雙向TVS管的漏電流是單向的2倍,因此在做低功耗設備中,如果對漏電流要求比較高,單向的漏電流會更小。

        (3)Breakdown Voltage  MIN@IT   MAX@IT    VBR(V)

        VBR被稱為擊穿電壓,擊穿電壓是指在I-V曲線上,在規定的脈沖直流電流IT或者接近發生雪崩的電流條件下測得TVS兩端的電壓。TVS在此阻抗驟然降低,處于雪崩擊穿狀態。從規格書上可以看出,對于7V以下的TVS管,君耀電子和音特電子所給的測試電流均為10mA,對于7V以上的TVS管,所給的測試電流為1mA。因此在進行測試擊穿電壓時,IT電流并不是固定的,目前從數據手冊可以看出存在1mA和10mA的差異。其原因是低壓的TVS漏電流較大,因此測試的電路也要更大一點。

        同時,在對VBR進行描述時,存在最小和最大的差異,說明TVS管的擊穿電壓存在一定的偏差,偏差值大概在±5%左右,測量時,VBR落在min和max之間視為合格品。

        測試VBR的電路圖如下圖所示:

        (4)Maximum Clamping Voltage @IPP Vc(V)

        Vc是TVS管比較重要的一個參數,最大鉗位電壓,這個電壓是指在TVS管兩端施加規定的IPP脈沖電流時,在TVS管兩端測得的峰值電壓。當TVS管承受瞬態高能量沖擊時,管子中流過大電流峰值為IPP,端電壓VBR上升到VC值就不再上升了,從而實現了保護作用。如果將TVS放在電路中進行保護,那么鉗位電壓不能超過后級正常工作電壓,否則即使TVS管動作了, 后級還是因為鉗位的電壓太高,而無法對后級電路起到作用。因此Vc經常作為選型的一個重要參數。

        在TVS管的曲線上可以看到,在較大范圍內,電流存在明顯的變化,從IT到IPP,但是VC電壓變化并不大,正是這部分的特性才讓TVS管抑制電壓的作用。只有VC變化很小,才能起到鉗位電壓的作用。

        (5)Peak pulse current   IPP(A)

         峰值脈沖電流,是指給定脈沖波形的峰值,代表TVS允許流過的最大浪涌電流。IPP越大,器件的結電容越大,這個參數反映了TVS的浪涌承受能力。

        在對TVS管進行測試時,一般選用10/100us電流波形,也就是IPP是對應波形的電流峰值。施加的IPP波形如下圖所示:

        從規格書中可以看出,TVS管的截止電壓越高,IPP的值越小。TVS管測試IPP和VC的電路如下圖所示。

        根據規格書可知,IPP和VC是一對相關聯的參數,施加脈沖電流的峰值得到VC。如果兩個同型號的器件, IPP一樣,那么VC越小,證明其鉗位特性越好。如果同型號的器件,IPP越大,證明耐沖擊電流越強。

        (6) Test  current  IT(mA)

        測試電流,在該電流下測試TVS管的擊穿電壓。

        TVS管參數總結:從上面的六個參數可以看出,包含3個電壓和3個電流,其中對應關系如下:可以發現關鍵電流單位從uA到A,電壓都是V

        (7) 結電容

        TVS管存在結電容,參數的大小由TVS雪崩結截面決定的,是在特定的1MHZ頻率下測得的。結電容的大小與TVS電流承受能力成正比,結電容太大將使信號衰減。

        4 TVS管選型

        TVS管選型可以按照下面的步驟進行。

        第一步:根據保護電路工作電壓,確定器件反向關斷電壓;

        第二步:明確防護電路的最大工作電壓VRWM,TVS管的方向關斷電壓VRWM與最大工作電壓關系如下:直流供電:VRWM>V工作;交流供電:VRWM>V工作*1.414;最大工作電壓V工作需要按電源口特性測試要求的最大值來選擇??紤]到TVS的VRWM±有10%的波動,如果是15V,也不能選18V,必須選20V或者24V。

        第三步:擊穿電壓和V工作電壓之間的關系可借鑒經驗公式VBRmin>1.2Um,或者VRWM>1.1Um 。其中Um為電路的工作電壓峰值,直流時Um=Udc,交流時Um>1.414Uac

        第四步:根據防護器件需求,確定TVS管鉗位電壓和功率參數

        TVS管的最大鉗位電壓在選擇時一般有下面的公式可以參考VCMAX>(1.5~2)*VRWM。反相關斷電壓和通流量IPP確定后,TVS管需要滿足最小峰值功率Pw>VCMAX*IPP=(1.5~2)*VRWM*IPP。如果需要保留功率較大的降額,在滿足防護要求的情況下增加TVS管器件功率值,以達到更大的防護性能,對于不同的浪涌電流波形,需要做TVS管的等效功率換算。TVS管作為第二級保護時,一般使用500~600W的功率就可以滿足要求,而且Vc最大鉗位電壓要不大于被保護電路所承受的最大浪涌電壓。

        第五步:根據防護電路工作頻率確定TVS管結電容

        根據防護電路工作頻率確定TVS管結電容信號接口考慮。防護電路的工作和能加在線路上的對地電容有關系,既要考慮到信號的防護需求,也要考慮到防護器件會改變信號上升沿的時間,進而影響時序。一般來講對于信號接口線路的頻率與結電容可以參考下表

        以上信號線傳輸速率與節電容關系為一般推薦值,具體大小和實際應用與單板信號速率,信號質量要求,傳輸距離等相關,在應用過程中需要實測波形數據來最終確定,同時需要考慮多節點應用結電容對信號功能影響的提示。

        5.TVS管選型注意事項

        • 反向關斷電壓應該大于等于保護電路最大工作電壓。VRWM>V工作
        • TVS管的最大箝位電壓一般為擊穿電壓的1.4倍左右,在電路設計中需要了解器件最大箝位電壓小于后級保護電路的最高承受電壓。
        • 對于小電流負載的保護,可有意識地在線路中增加限流電阻或者串聯二極管,只要限流電阻的阻值適當,不會影響線路的正常工作,就有可能選用峰值功率較小的TVS管,峰值功率小的TVS管結電容小,可以實現對小電流負載線路進行保護。(面積小,結電容?。?/span>
        • TVS管用于信號口靜電防護設計時,在滿足功能要求的情況下,針對TVS管功率無要求,基本上所有TVS管都可以滿足靜電抗干擾,最高等級空氣放電15K,接觸8K,測試要求。
        • 在高速信號的接口采用TVS管進行防護設計時,需要注意TVS管結電容的累積效應,影響電路的正常通訊和數據傳輸。
        • 對于電源電路上應用的TVS管的選型,除了要注意通流量需要有一定的余量設計之外,還要考慮電源電路,平時正常工作時的電壓波動(直流存在±20%的波形,交流存在1.5~2倍的波動)可能會導致TVS管路動作,因此在選型時反向關斷電壓的選擇需要大于電路的最大波動電壓。24V選36V
        • 由于TVS管通流能量有限,因此TVS管一般情況下不單獨用于電源口的浪涌防護設計。
        • 如果TVS管接地端應用在需要打絕緣耐壓機殼地PGND上,需要滿足結緣耐壓500V AC的要求。

        6.TVS管防護電路TVS 由于具有響應速度快,鉗位電壓低,電壓精準等優點,因而應用于對保護器件要求較高的場合,如汽車電子、工業控制、照明,通信等行業,如 DC 電源線,RS485 接口,通信電源,I/O 口等。下面是一些典型應用案例。

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