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TVS二极管在电路设计中的应用
接线图
2023年12月31日 18:33 323
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引言
瞬态抑制(TVS)二极管又叫箝位型二极管，是目前普遍使用的一种高效能电路保护器件，它的外型与普通二极管相同，但其吸收的浪涌功率可达数千瓦，它的主要特点是在反向应用条件下，当承受一个高能量的脉冲时，其工作阻抗立即降至极低的导通值，从而允许大电流通过，同时把电压箝制在预定水平，其响应时间<1ns，因此可有效地保护电子线路中的精密元器件。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、损坏极限较高、体积小等优点。
1 TVS二极管的特性及关键参数
1.1 TVS二极管的特性
在规定的反向应用条件下，TVS二极管对受保护的线路呈高阻抗状态。当瞬间电压超过其击穿电压时，TVS二极管就会提供一个低阻抗的路径，并通过大电流方式使流向被保护元器件的瞬间电流分流到TVS二极管，同时将受保护元器件两端的电压限制在TVS二极管的箝位电压。当过压条件消失后，TVS二极管又恢复到高阻抗状态。
1.2 TVS二极管的关键参数
1.2.1 最小击穿电压VBR
器件在发生击穿的区域内，在规定的试验电流IBR（一般情况IBR＝1mA）下，测得器件两端的电压称为最小击穿电压。
1.2.2 反向断态电压VRWM
TVS二极管最大连续工作的直流或脉冲电压，该电压施加于TVS二极管的两极间时，它处于反向关断状态，流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流IR。
1.2.3 脉冲峰值电流IPP
反向工作时，在规定的脉冲波形（如：10/1000μs双指数波形）条件下，器件允许通过的最大浪涌电流。
1.2.4 最大箝位电压VC
当脉冲峰值电流IPP流过TVS二极管时，其两端出现的最大电压值称为箝位电压VC。VC和IPP反映了TVS二极管的浪涌抑制能力。通常把VC与VBR之比称为箝位因子（系数），其值一般在1.2～1.4之间。
1.2.5 脉冲峰值功率PPP
脉冲峰值功率PPP是指脉冲峰值电流IPP与最大箝位电压VC的乘积，即PPP＝IPP×VC。它是TVS二极管能承受的最大峰值功率。在给定的最大箝位电压下，脉冲峰值功率PPP越大，其浪涌电流的承受能力越大。
1.2.6 结电容CJ
TVS二极管结电容CJ是由其硅片的雪崩结截面和偏置电压来决定的，是在特定频率（1MHz）下测得。 CJ的大小与TVS二极管的电流承受能力成正比，CJ太大，将使信号衰减。因此，电容CJ是数据接口电路选用TVS二极管的重要参数。
1.2.7 最大反向漏电流IR
当反向断态电压VRWM施加到TVS二极管上时，TVS二极管对应的电流IR。
2 选用TVS二极管的注意事项
在选用TVS二极管时，根据电路的具体情况，一般应考虑以下几个主要因素：
a) 若TVS二极管有可能承受来自两个方向的尖峰脉冲电压冲击时，优先选用双极性。交流电路必 须选用双极性TVS二极管；多线保护选用TVS二极管阵列。大功率保护选用TVS二极管专用保护模块。
b) 所选用TVS二极管的VC值必须低于被保护元件的最高工作电压（峰值），也不能大于被保护回 路的可承受极限电压，否则被保护元件有可能被损坏。
c) TVS二极管的反向断态电压VRWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压。若选用的VRWM太低，器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作。
d) TVS二极管在正常工作状态下不能处于击穿状态，所承受的电必须处于VRWM以下，应综合考虑 VRWM和VC两方面的要求来选择适当的器件型号。
e) 利用VC×IPP来确定功率，如果没有准确的IPP值，可根据电磁兼容试验数据或经验值来确定。
f) 结电容CJ的大小与TVS二极管的电流承受能力成正比，但CJ过大将使信号衰减。对于信号频 率越高的电路，结电容对电路的影响越大，形成噪声也较大。在实际使用电路信号频率较高时，需要考虑结电容参数，如果多个节点并联使用，应特别关注。高频回路一般选择电容量小的LCTVS管（如USB2.0口，要求结电容低于3pF），或者用一个TVS二极管与一个快恢复二极管以背对背方式连接。
g) TVS二极管可在-55℃～+150℃温度范围内工作。由于其反向漏电流IR是随温度增加而增大、功耗随TVS管结温增加而下降，大约线性下降；击穿电压随温度的增加按一定的系数增加。因此，必须查阅有关产品资料，考虑温度变化对其特性的影响。
h) 在规定的脉冲持续时间内，TVS二极管的最大峰值脉冲功率PPP必须大于被保护电路可能出现的峰值脉冲功率。在确定了最大箝位电压后，其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。一般TVS二极管的最大峰值脉冲功率是以10/1000μs的非重复脉冲给出的，而实际的脉冲宽度是由脉冲源决定的，当脉冲宽度不同时其峰值功率也不同。
i) TVS二极管应用在继电器、功率开关或电机控制等场合下，需要承受有规律的、短暂的脉冲群冲击，应考虑这种冲击对平均稳态功率参数选择的影响。
j) 不能通过并联使用提高吸收功率。
k) 选用TVS二极管阵列不但可以大大节约PCB板的空间，而且可减少由于回路复杂而可能诱发的寄生性线路自感影响。
l) 当TVS二极管用于高阻抗电路时，漏电流是一个重要的参数。
3 TVS二极管在电路设计中的典型应用
在实际应用电路中，处理瞬时脉冲对器件损害的最好办法，就是将瞬时电流从敏感器件引开。为达到这一目的，将TVS二极管在PCB上与被保护器件并联。这样，当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TVS二极管将发生雪崩击穿，从而提供给瞬时电流一个超低阻抗的通路，其结果是瞬时电流通过TVS二极管被引开，从而避开被保护器件，并且电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压，在此之后，当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管在自动恢复至高阻状态，整个回路进入正常电压状态。以下是TVS二极管在电路应用中的几个典型实例。
3.1 TVS二极管在交流电路中的应用
如图1所示，这是一个双向TVS二极管在交流电路中的应用，可以有效地抑制电网带来的过载脉冲，从而起到保护整流桥及负载中所有元器件的作用。
图1 TVS二极管应用于交流电路
如图2所示，单向TVS二极管并联于整流管旁侧，以保护整流管不被瞬时脉冲击穿。
图2 TVS二极管应用于整流电路
3.2 TVS二极管应用于直流稳压电源保护
图3是一个直流稳压电压，在其输出端加上TVS二极管，可以保护使用该电源的仪器设备，同时还可以吸收电路中晶体管的集电极到发射极间的峰值电压，从而保护晶体管。建议在每个稳压源的输出端增加一个TVS二极管，这样可以大幅度地提高整机的可靠性。
图3 TVS二极管应用于直流稳压电源保护
3.3 TVS二极管应用于晶体管电路保护
各种瞬变电压会使晶体管的EB结或CE结击穿而损坏，当晶体管集电极有感性(继电器线圈、变压器、电动机)负载时，通常会产生高压反电势，可能损坏晶体管。在实际应用中，建议采用TVS二极管作为保护器件。图4所示为TVS二极管应用于晶体管电路的保护实例。
图4 TVS二极管用于晶体管电路保护
3.4 集成电路的保护
由于现代IC的集成度越来越高，而其耐压则越来越低，因而很容易受到瞬变电压的冲击而损坏，故须采取保护措施。通常在CMOS电路的输入端及输出端都有保护网络，为了可靠起见，在各整机对外接口处也增加了各种保护网络。图5中给出了用TVS二极管对CMOS器件进行保护的有关电路措施。
图5 TVS二极管集成电路保护实例
3.5 TVS二极管应用于集成电路运放保护
集成运放对外界电应力非常敏感，图6所示是用TVS在运放差模输入端防止过压损伤的保护电路。
图6 TVS二极管应用于集成运放保护
3.6 TVS二极管应用于通信端口保护
通信总线需要与外部很多设备进行数据交换，要增加浪涌防护功能；如图7所示，TVS二极管对管在RS-485收发器接口处实现共模浪涌防护功能。
图7 通信端口保护电路
4 TVS二极管性能优化
4.1 器件摆放位置
TVS二极管在进出PCB的I/O连接器上的数据和电源线上使用，器件尽量接近噪声源，确保浪涌电压可以在脉冲耦合到邻近PCB导线之前被钳位。另外，PCB应使用较短的TVS二极管导线，减少浪涌能量的消耗。图8提供了PCB布局建议的实例。
图8 TVS二极管器件放置示意图
4.2 环路区
将TVS二极管与被保护器件间的距离尽量加大可以提高防护效果，但却可能增加环路区的面积大小，如图9所示。应根据应用情况调整TVS二极管与被保护器件的距离。
图9 环路区域
4.3 走线方式
避免被保护回路和未实施保护的回路并联，接口信号线路和接地线路应先连接保护器件，然后再进入回路的其它部分，如图10所示。
图10 布线示意图
4.4 接地选择
a) 原则上，保护器件应和被保护器件接在同一个地上。泄放电流IL<100A的TVS二极管应接信号地。
b) 如果信号输入需要光耦隔离，则输入信号应先到TVS二极管再到光耦，TVS二极管接到隔离地上。
c) 如果使用变压器隔离，则TVS二极管接到变压器之后，TVS二极管接信号地。
d) 泄放电流IL>100A时，TVS二极管应先接至保护地上，然后再接机壳地。
4.5 TVS二极管应放置于过流防护器件（如保险管）之后。
5 TVS二极管在使用中应注意的事项
a) 脉冲峰值功率与瞬变电压脉冲宽度间的关系。器件手册给的只是特定宽度下的脉冲峰值功率， 而实际电路设计中的脉冲宽度则变化莫测，事前要有估计。对宽脉冲应降额使用，对小电流负载的保护，可在电路中增加限流电阻，即可实现选用脉冲峰值功率较小的TVS二极管对小电流负载电路进行保护。
b) 降额使用。TVS二极管要注意环境温度升高时的降额使用。特别要注意TVS二极管的引线长短， 以及它与被保护线路的相对距离。当没有合适电压的TVS二极管供选用时，允许用多个TVS二极管串联使用。串联管的最大电流决定于所采用管中电流吸收能力最小的一个。而脉冲峰值功率等于电流与串联管电压之和的乘积。
c) TVS二极管的结电容影响它在高速电路中使用的关键因素。在此情况，一般用一个TVS二极管与一个快恢复二极管以背对背的方式连接，可满足高频使用要求。
6 结束语
TVS二极管是一种保护敏感元器件免受ESD和EMI浪涌脉冲的有效、低成本的器件，随着TVS二极管的迅速发展和广泛应用，本文通过介绍TVS二极管的特性及关键参数、选型、典型应用、性能优化和电路设计中的注意事项，使TVS二极管在电路设计应用中发挥最佳性能，有效解决电路瞬变干扰引起的过压问题，大大提高电子设备的安全性和可靠性。
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