【導(dǎo)讀】TVS二極管,又稱瞬態(tài)抑制二極管,是普遍使用的一種新型高效電路保護(hù)器件,它具有極快的響應(yīng)時(shí)間(亞納秒級)和相當(dāng)高的浪涌吸收能力。
1. TVS二極管特點(diǎn):
TVS(Transient Voltage Suppressor)二極管,又稱瞬態(tài)抑制二極管,是普遍使用的一種新型高效電路保護(hù)器件,它具有極快的響應(yīng)時(shí)間(亞納秒級)和相當(dāng)高的浪涌吸收能力。
當(dāng)它的兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí),TVS能以極高的速度把兩端間的阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩梗晕找粋€(gè)瞬間大電流,把它的兩端電壓箝制在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上,從而保護(hù)后面的電路元件不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊。在處理高速率傳導(dǎo)回路的靜電沖擊時(shí)有更理想的性能表現(xiàn)。
2. TVS二極管的應(yīng)用:
1、在交流電路中的應(yīng)用
圖1所示是一個(gè)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
2、用TVS保護(hù)直流穩(wěn)壓電源
圖2是一個(gè)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(shí)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(gè)穩(wěn)壓源的輸出端增加一個(gè)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
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(shí),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、 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
3. TVS管與其他電路保護(hù)元件對比
1、TVS二極管與穩(wěn)壓二極管:
TVS二極管和穩(wěn)壓二極管在電路都是反向接入,也就是利用它的反向特性,利用PN結(jié)雪崩效應(yīng),在反向擊穿前均有一個(gè)臨界電壓,在反向接入電路都具有穩(wěn)壓作用,但是也不盡相同,穩(wěn)壓二極管利用的是把輸入電壓固定在某個(gè)數(shù)值,而TVS二極管主要是防止瞬態(tài)高壓對后級電路進(jìn)行鉗位;
穩(wěn)壓二極管一般不會講響應(yīng)時(shí)間,更多的是關(guān)注穩(wěn)壓值,但是對于TVS二極管不一樣,它的特性決定著它擁有不同的作用,TVS二極管具有瞬態(tài)抑制高能量作用,因此要求在較短時(shí)間內(nèi)把較高能量瞬間吸收,因此這個(gè)時(shí)間很短,達(dá)到納秒級別;
穩(wěn)壓二極管的功率一般不是很大,常見的穩(wěn)壓二極管有1W、2W等,它的功率由它所允許的溫升決定,實(shí)際是穩(wěn)定電壓與電流的乘積,例如對于穩(wěn)壓二極管1N4742A,它的功率最大只有1W,穩(wěn)壓值是12V,那么通過它的電流一般不能超過80mA,要不然管子會發(fā)熱的厲害;對于TVS二極管,它講究的是瞬時(shí)脈沖功率,這個(gè)功率值很高,能達(dá)到上千瓦,只是這個(gè)時(shí)間值維持很小。
上圖:穩(wěn)壓二極管 MMSZ5231B-7-F
Vz=5.1V,0.5W,±5%
2、TVS二極管與壓敏電阻、氣體放電管:
在反應(yīng)時(shí)間上,壓敏電阻介于TVS管和氣體放電管之間,TVS管為皮秒級,壓敏電阻略慢,為納秒級;而氣體放電管最慢,通常為幾十個(gè)納秒甚至更多。
在通流容量上,壓敏電同樣介于TVS和氣體放電管之間,TVS管通常只有幾百A;而壓敏電阻按不同規(guī)格,可通過數(shù)KA到數(shù)十KA的單次8/20uS浪涌電流;而對于氣體放電管來說通常十KA級別8/20uS浪涌電流可導(dǎo)通數(shù)百次。
從原理上看,TVS管基于二極管雪崩效應(yīng);壓敏電阻器基于氧化鋅晶粒間的勢壘作用;而氣體放電管則是基于氣體擊穿放電。
在電壓范圍方面,TVS管通常為5.5V到550V;壓敏電阻的范圍較寬,可從10V到9000V;而氣體放電管可從75V到3500V。
TVS管的非線性特性和穩(wěn)壓管一樣,擊穿前漏電流很小,擊穿后是標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)壓特性,比起壓敏電阻來TVS管最大箝位電壓偏離擊穿電壓較小,優(yōu)于壓敏電阻,但通流能力比壓敏電阻較小。
壓敏電阻能承受更大的浪涌電流,而且其體積越大所能承受的浪涌電流越大,最大可達(dá)幾十kA到上百kA;但壓敏電阻的非線性特性較差,大電流時(shí)限制電壓較高,低電壓時(shí)漏電流較大。
上圖:壓敏電阻 V0603MHS12NH
55V 0603
3、 TVS二極管與陶瓷電容:
很多設(shè)計(jì)人員愿意采用表面貼裝的陶瓷電容作ESD 保護(hù),不但便宜而且設(shè)計(jì)簡便,但這類器件對高壓的承受力卻比較弱。5kV 的沖擊會造成約10%陶瓷電容失效,到10kV 時(shí),損壞率達(dá)到60%,而TVS二極管可以承受15kV 電壓。在手持設(shè)備的使用過程中,由于與人體頻繁接觸,各個(gè)端口必須至少能夠承受8kV 接觸沖擊(IEC61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)),可見使用TVS二極管可以有效保證最終產(chǎn)品的合格率。
上圖:陶瓷電容 CL21B104KACNNNC
4、TVS二極管與MLV:
多層金屬氧化物結(jié)構(gòu)器件(MLV)也可以進(jìn)行有效的瞬時(shí)高壓沖擊抑制,此類器件具有非線性電壓-電流(阻抗表現(xiàn))關(guān)系,截止電壓可達(dá)最初中止電壓的2~3 倍,這種特性適合用于對電壓不太敏感的線路和器件的保護(hù),如電源回路。而TVS瞬態(tài)抑制二極管具有更好的電壓截止因子,同時(shí)還具有較低的電容,這一點(diǎn)對于手持設(shè)備的高頻端口非常重要,因?yàn)檫^高的電容會影響數(shù)據(jù)傳輸,造成失真或是降級。
5、結(jié)語
TVS瞬態(tài)抑制二極管的各種表面封裝均適合流水線裝配的要求,而且芯片結(jié)構(gòu)便于集成其它的功能,如EMI 和RFI過濾保護(hù)等,可有效降低器件成本,優(yōu)化整體設(shè)計(jì)。
另一個(gè)不能忽略的特點(diǎn)是二極管可以很方便地與其它器件集成在一個(gè)芯片上,現(xiàn)有很多將EMI 過濾和RFI 防護(hù)等功能與TVS 集成在一起的器件,不但減少設(shè)計(jì)所采用的器件數(shù)目降低成本,而且也避免PCB板上布線時(shí)易誘發(fā)的伴生自感。