TVS瞬态干扰抑制器性能与应用(2)
2.2TVS的主要参数
2.2.1最大反向漏电流ID和额定反向关断电压VWM。VWM是TVS最大连续工作的直流或脉冲电压,当这个反向电压加于TVS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ID。
2.2.2最小击穿电压VBR和击穿电流IR。VBR是TVS最小的击穿电压。在25℃时,低于这个电压TVS是不会发生雪崩的。当TVS流过规定的1mA电流(IR)时,加于TVS两极的电压为其最小击穿电压VBR。按TVS的VBR与标准值的离散程度,可把VBR分为5%和10%两种。对于5%的VBR来说,VWM=0.85VBR;对于10%的VBR来说,VWM=0.81VBR。
2.2.3最大箝位电压VC和最大峰值脉冲电流IPP。当持续时间为20mS的脉冲峰值电流IPP流过TVS时,在其两端出现的最大峰值电压为VC。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC与VBR之比称为箝位因子,一般在1.2~1.4之间。
2.2.4电容量C。电容量C是由TVS雪崩结截面决定的,是在特定的1MHZ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。
2.2.5最大峰值脉冲功耗PM。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。而且,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,有可能损坏TVS。
2.2.6箝位时间TC。TC是从零到最小击穿电压VBR的时间。对单极性TVS小于1×10-12S;对双极性TVS小于10×10-12S。
2.3TVS的分类
TVS器件按极性可分为单极性和双极性两种;按用途可分为通用型和专用型;按封装和内部结构可分为:轴向引线二极管、双列直插TVS阵列、贴片式和大功率模块等。轴向引线的产品峰值功率可以达到400W、500W、600W、1500W和5000W。其中大功率的产品主要用在电源馈线上,低功率产品主要用在高密度安装的场合。对于高密度安装的场合还可以选择双列直插和表面贴装的封装形式。
2.4TVS的选用
2.4.1确定被保护电路的最大直流或连续工作电压,电路的额定标准电压和最大可承受电压。
2.4.2TVS的额定反向关断电压VWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压。若选用的VWM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。
2.4.3TVS的最大反向箝位电压VC应小于被保护电路的损坏电压。
2.4.4在规定的脉冲持续时间内,TVS的最大峰值脉冲功率PM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的最大峰值脉冲功率是以10/1000mS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。如某600WTVS,对1000mS脉宽最大吸收功率为600W,但是对50mS脉宽吸收功率就可达到2100W,而对10mS的脉宽最大吸收功率就只有200W了。而且吸收功率还和脉冲波形有关:如果是半个正弦波形式的脉冲,吸收功率就要减到75%,若是方波形式的脉冲,吸收功率就要减到66%。
2.4.5平均稳态功率的匹配对于需要承受有规律的、短暂的脉冲群冲击的TVS,如应用在继电器、功率开关或电机控制等场合,有必要引入平均稳态功率的概念。举例说明,在一功率开关电路中会产生120HZ,宽度为4mS,峰值电流为25A的脉冲群。选用的TVS可以将单个脉冲的电压箝位到11.2V。此中平均稳态功率的计算为:脉冲时间间隔等于频率的倒数1/120=0.0083S,峰值吸收功率是箝位电压与脉冲电流的乘积11.2V×25A=280W,平均功率则为峰值功率与脉冲宽度对脉冲间隔比值的乘积,即280×(0.000004S/0.0083S)=0.134W。也就是说,选用的TVS平均稳态功率必须大于0.134W。
2.4.6对于数据接口电路的保护,还必须注意选取具有合适电容C的TVS器件。
2.4.7根据用途选用TVS的极性及封装结构。交流电路选用双极性TVS较为合理;多线保护选用TVS阵列更为有利。
2.4.8温度考虑瞬态电压抑制器可以在-55℃~+150℃之间工作。如果需要TVS在一个变化的温度下工作,由于其反向漏电流ID是随温度增加而增大;功耗随TVS结温增加而下降,从+25℃到+175℃,大约线性下降50%;击穿电压VBR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。
2.5TVS管在使用中应注意的事项
对瞬变电压的吸收功率(峰值)与瞬变电压脉冲宽度间的关系。手册给的只是特定脉宽下的吸收功率(峰值),而实际线路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,可有意识地在线路中增加限流电阻,只要限流电阻的阻值适当,不会影响线路的正常工作,但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小。这就有可能选用峰值功率较小的TVS管来对小电流负载线路进行保护。
对重复出现的瞬变电压的抑制,尤其值得注意的是TVS管的稳态平均功率是否在安全范围之内。
2.6降额使用
作为半导体器件的TVS管,要注意环境温度升高时的降额使用问题。 特别要注意TVS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管供采用时,允许用多个TVS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。而峰值吸收功率等于这个电流与串联管电压之和的乘积。
TVS管的结电容是影响它在高速线路中使用的关键因素,在这种情况下,一般用一个TVS管与一个快恢复二极管以背对背的方式连接,由于快恢复二极管有较小的结电容,因而二者串联的等效电容也较小,可满足高频使用的要求。
3.结语
各种电子系统及通信网络等,经常会受到外来的电磁干扰,这些干扰主要来自电源线路的暂态过程、雷击闪电、以及宇宙射电等。这些干扰会使得系统动作失误甚至硬件损坏。对这些问题,要做好全面的预防保护措施,设计选用合适的硅瞬变吸收二极管是解决瞬态干扰的良好方案。但随着电子工业界探索更多地提高效率和增加功能、集成度不断提高的电子产品,设计提供完整的电路保护解决方案,将形成电路保护技术的又一次革命。