6.6 KiB
| title | updated | created |
|---|---|---|
| TVS | 2022-05-09 00:59:23Z | 2022-01-08 13:18:04Z |
TVS 参数介绍及选型方法
一、TVS管的原理介绍
TVS（Transient Voltage Suppressor）瞬态电压抑制器。当器件两极受到反向瞬态高能量冲击时，能以10的负12次方秒量级的速度，将两极间的高阻抗变为低阻抗，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件。
在浪涌电压作用下，TVS两极间的电压由额定反向关断电压VRWM上升到击穿电压VBR，而被击穿，随着击穿电流的出现，流过TVS的电流将达到峰值脉冲电流IPP，同时在其两端的电压被钳位到预定的最大钳位电压VC以下，其后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS两极间的电压也不断下降，最后恢复到初态；
TVS管具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点
二、TVS管的参数介绍
本文以Semtech 的Rclamp3371ZC 为例:
1、反向截止电压VRWM与反向漏电流IR：反向截止电压VRWM表示TVS管不导通的最高电压，在这个电压下只有很小的反向漏电流IR。
如Rclamp3371ZC 的VRWM是3.3V ,在3.3V的电压下，IR 小于50nA。
2、击穿电压VBR：TVS管通过规定的测试电流时的电压，这是表示TVS管导通的标志电压。
测试VBR的测试电流It 通常是1mA , 在-40℃至85℃的范围内，Rclamp3371ZC 的VBR为5.5V-10V ,典型值为8V 。
3、脉冲峰值电流IPP：TVS管允许通过的10/1000μs波的最大峰值电流（8/20μs波的峰值电流约为其5倍左右），超过这个电流值就可能造成永久性损坏。在同一个系列中，击穿电压越高的管子允许通过的峰值电流越小，一般是几A～几十A。
如Rclamp3371ZC 在tp=8/20μs 时，IPP=9A。
4、最大箝位电压VC：TVS管流过脉冲峰值电流IPP时两端所呈现的电压。
如Rclamp3371ZC 在 IPP = 9A, tp = 1.2/50µs (Voltage), 8/20µs (Current) Combination Waveform, RS = 2 Ω时，VC最大为7V 。
5、脉冲峰值功率Pm： 脉冲峰值功率Pm是指10/1000μs波的脉冲峰值电流IPP与最大箝位电压VC的乘积，即Pm=IPP*VC；在给定的最大钳位电压下，功耗PM越大，其浪涌电流承受能力越大，在给定的功率PM下，钳位电压越低，其浪涌电流的承受能力越大；另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形，持续时间和环境温度有关：典型的脉冲波形持续时间为1ms，当施加到二极管上的脉冲波形持续时间小于TP，则随着TP的减小脉冲峰值功率增加；TVS所能承受的瞬态脉冲式不重复的，如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积可能损坏TVS。
如Rclamp3371ZC 给出的最大PPK为65W。
7、结电容Cj：不同类型的TVS，结电容差异很大，功率越大的电容也越大，电容会影响TVS的响应时间。因此保护高速信号的TVS，需要很小的结电容，才能不影响信号的完整性。
如Rclamp3371ZA的结电容为0.25pf; 在USB3.0和USB3.1 应用的眼图如下。可以看出，增加Rclamp3371ZC后，对USB3.0/USB3.1的信号几乎没有影响。
8、峰值电流波形：A、正弦半波 B、矩形波C 、标准波（指数波形） D、三角波，TVS峰值电流的试验波形采用标准波（指数波形），由TR/TP决定。
峰值电流上升时间TR: 电流从0.1IPP开始达到0.9 IPP的时间。
半峰值电流时间TP：电流从零开始通过最大峰值后，下降到0.5IPP值的时间。
下面列出典型试验波形的TR/TP值：
EMP波：10ns /1000ns
闪电波：8μs /20μs
标准波：10μs /1000μs
三、TVS管的选型原则如下：
1.确定待保护电路的直流电压或持续工作电压。如果是交流电，应计算出最大值。
2.选择TVS的VRWM等于或大于上述步骤1所规定的操作电压。这就保证了在正常工作条件下TVS吸收的电流可忽略不计，否则TVS将吸收大量的漏电流而处于雪崩击穿状态，器件面临被损坏的危险，从而影响电路的工作。
- 所选TVS的最大箝位电压(VC)应低于被保护电路所允许的最大承受电压。在确定了TVS的最大箝位电压VC后，其峰值脉冲电流IPP应大于瞬态浪涌电流。
4.如果知道比较准确的浪涌电流IPP，则可利用VC*Ipp来确定功率；如果无法确定IPP的大致范围，则选用功率大些的TVS为好。PM是TVS能承受的最大峰值脉冲功率耗散值。在给定的最大箝位电压下，功耗PM越大，其浪涌电流的承受能力越大；在给定的功耗PM下，箝位电压VC越低，其浪涌电流的承受能力越大。另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。
5. 电容量Cj是由TVS雪崩结截面决定的，这是在特定的1 MHz频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比，C太大将使信号衰减。因此，C是数据接口电路选用TVS的重要参数。对于数据／信号频率越高的回路，二极管的电容对电路的干扰越大，形成噪声或衰减信号强度也大，因此，需要根据回路的特性来决定所选器件的电容范围。高频回路一般选择电容应尽量小(如LCTVS、低电容TVS，电容不大于3 pF)，而对电容要求不高的回路，电容的容量选择可高于40 pF。
6.TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的，器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为0.01％。如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积，不然有可能损坏TVS。
7. 若TVS有可能承受来自两个方向的尖峰脉冲电压(浪涌电压)冲击时，应当选用双极性的，否则可选用单极性。直流保护一般选用单向TVS二极管，交流保护一般选用双向TVS二极管，多路保护选用TVS阵列器件，大功率保护选用TVS专用保护模块。
8. 为了满足IEC61000-4-2国际标准，TVS二极管必须达到可以处理最小8 kV(接触)和15 kV(空气)的ESD冲击，有的半导体生产厂商在自己的产品上使用了更高的抗冲击标准。而对于某些有特殊要求的便携设备应用，设计者可以按需要挑选器件。
下图是Rclamp3371ZC 在USB Type-C 接口的应用实例。