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瞬态抑制二极管
瞬态抑制二极管
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瞬态二极管
瞬态二极管(TransientVoltageSuppressor)简称TVS是一种二极管形式
的高效能保护器件。
当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时,它能以
10的负12次方秒量级的速度,将其两极间的高阻抗变为低阻抗,吸收高达数千瓦的浪涌功率,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,免受各种浪涌脉冲的损坏。
瞬态二极管
三大特点
TVS的特性及主要参数
TVS二极管的分类
TVS的选用技巧
TVS与压敏电阻的比较
瞬态二极管
三大特点
TVS的特性及主要参数
TVS二极管的分类
TVS的选用技巧
TVS与压敏电阻的比较
展开自编辑本段瞬态二极管
瞬态抑制二极管
由于它具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流
低、击穿电压偏差、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点。
目前已广泛应用于计算机系统、通讯设备、交/直流电源、汽车、电子镇流
器、家用电器、仪器仪表(电度表)、RS232/422/423/485、I/O、LAN
ISDN、
ADSLUSBMP3PDASGPSCDMAGSM数字照相机的保护、共模/差模保护、
RF耦合/IC驱动接收保护、电机电磁波干扰抑制、声频/视频输入、
传感器/变速
器、工控回路、继电器、接触器噪音的抑制等各个领域。
瞬态抑制二极管主要的型号
瞬态抑制二极管主要的型号有;XESD12VT23-3,IC网络超市自主品牌。
性价比很强。
XESD12VT23-3是抑制瞬变电压双向阵列,旨在保护的组分,被连接到数据和传输线路,防静电放电(简称ESD)、电气快瞬变(EFT),和闪电。
所有销子分为能够承受20kv采用IEC61000-4-2防静电脉冲接触排放的方法。
特点;
1、500瓦峰脉冲电源的60%8/20卩s),
2、低夹紧电压
3、保护一个双向或两个单向线
4、工作电压伏,8V:
3V,,12伏,15伏特
5、ESD保护>40千伏下
6、符合;
61000-4-2(简称ESD):
Air-15kVContact-8kV,
40A-5/50ns61000-4-4(EFT):
61000-4-5(浪涌):
24A8/20?
s
编辑本段三大特点
1、将TVS二极管加在信号及电源线上,能防止微处理器或单片机因瞬间的
脉冲,如静电放电效应、交流电源之浪涌及开关电源的噪音所导致的失灵。
2、静电放电效应能释放超过10000V、60A以上的脉冲,并能持续10ms;而
一般的TTL器件,遇到超过30ms的10V脉冲时,便会导至损坏。
利用TVS二极
管,可有效吸收会造成器件损坏的脉冲,并能消除由总线之间开关所引起的干扰
(Crosstalk)。
3、将TVS二极管放置在信号线及接地间,能避免数据及控制总线受到不必
要的噪音影响。
编辑本段TVS的特性及主要参数
1、TVS的特性曲线
TVS的电路符号与普通稳压二极管相同。
它的正向特性与普通二极管相同;反向
特性为典型的PN结雪崩器件。
在瞬态峰值脉冲电流作用下,流过TVS的电流,由原来的反向漏电流
ID上
升到IR时,其两极呈现的电压由额定反向关断电压VWM上升到击穿
电压VBR
TVS被击穿。
随着峰值脉冲电流的出现,流过TVS的电流达到峰值脉
冲电流IPP。
在其两极的电压被箝位到预定的最大箝位电压以下。
尔后,随着脉冲电流按指数
衰减,TVS两极的电压也不断下降,最后恢复到起始状态。
这就是TVS
抑制可能
出现的浪涌脉冲功率,保护电子元器件的整个过程。
2、TVS的特性参数
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,当这个反向电压加入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最小击穿电压VBR和击穿电流IR
VBR是TVS最小的雪崩电压。
25C时,在这个电压之前,TVS是不导
通的。
当TVS流过规定的1mA电流(IR)时,加入TVS两极间的电压为其最击穿电
压VBR按TVS的VBR与标准值的离散程度,可把TVS分为土5%VBR
和平共处土
10%VBR两种。
对于土5%VBR来说,VWM=0.85VBR对于土10%VBR来说,VWM=0.81
VBR
3最大箝拉电压VC和最大峰值脉冲电流IPP
当持续时间为20微秒的脉冲峰值电流IPP流过TVS时,在其两极间出现的
最大峰值电压为VC它是串联电阻上和因温度系数两者电压上升的组
合。
VC、
IPP反映TVS器件的浪涌抑制能力。
VC与VBR之比称为箝位因子,
一般在
1.2~1.4之间。
4电容量C
电容量C是TVS雪崩结截面决定的、在特定的1MHZ频率下测得的。
C
的大
与TVS的电流承受能力成正比,C过大将使信号衰减。
因此,C是数
据接口电
路选用TVS的重要参数。
5最大峰值脉冲功耗PM
PM是TVS能承受的最大峰值脉冲耗散功率。
其规定的试验脉冲波形和
各种
TVS的PM值,请查阅有关产品手册。
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”,有可能使TVS损坏。
6箝位时间TC
TC是TVS两端电压从零到最小击穿电压VBR的时间。
对单极性TVS于
1X10-12秒;对
双极性TVS于是1X10-11秒。
编辑本段TVS二极管的分类
TVS器件可以按极性分为单极性和双极性两种,按用途可分为各种电路都适
用的通用型器件和特殊电路适用的专用型器件。
如:
各种交流电压保护器、
4~200mA电流环保器、数据线保护器、同轴电缆保护器、电话机保护器等。
若按
封装及内部结构可分为:
轴向引线二极管、双列直插TVS阵列(适用
多线保护)、
贴片式、组件式和大功率模块式等。
编辑本段TVS的选用技巧
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“高
端”容限。
2、TVS额定反向关断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。
串
行连接分电压,并行连接分电流。
3、TVS的最大箝位电压VC应小于被保护电路的损坏电压。
4、在规定的脉冲持续时间内,TVS的最大峰值脉冲功耗PM必须大于被保护
电路内可能出现的峰值脉冲功率。
在确定最大箝位电压后,其峰值脉
冲电流应
大于瞬态浪涌电流。
5、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。
6、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。
7、温度考虑。
瞬态电压抑制器可以在—55~+150C之间工作。
如果需
要TVS
在一个变化的温度工作,由于其反向漏电流ID是随增加而增大;功
耗随TVS
结温增加而下降,从+25C到+175C,大约线性下降50%雨击穿电压
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。
编辑本段TVS与压敏电阻的比较
目前,国内不少需进行浪涌保护的设备上使用的是压敏电阻。
压敏电阻是一种金属化物变阻器。
TVS比压敏电阻的特性优越得多,具体特性参数的比较如下表所示。
关键参数或极限值:
TVS压敏电阻
反应速度10-12s5X10-8
有否化现象否有
最高使用温度175C115C
元件极性单极性与双极单极性
反向漏电流典型值5卩A200卩A
箝位因子<1.5>7~8
(VC/VBR)
密圭寸性质密圭寸不透气透气
价格较贵便宜
瞬态二极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。
对重复岀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。
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。
二11瞬态电压抑制二极管应用指南
第一章TVS器件的特点、电特性和主要电参数
一、TVS器件的特点
瞬态(瞬变)电压抑制二级管简称TVS器件,在规定的反向应用条件下,当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时,其工作阻抗能立即降至很低的导通值,允许大电流通过,并将电压箝制到预定水平,从而有效地保护电子线路中的精密元器件免受损坏。
TVS能承受的瞬时脉冲功率可达上千瓦,其箝位响应时间仅为1ps(10-12S)oTVS允许的正向浪涌电流在Tg250C,T=10ms条件下,可达50〜200A。
双向TVS可在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率,并把电压箝制到预定水平,双向TVS适用于交流电路,单向TVS—般用于直流电路。
二、TVS器件的电特性
1、单向TVS的V-I特性
如图1-1所示,单向TVS的正向特性与普通稳压二极管相同,反向击穿拐点近似“直角”为硬击穿,为典型的PN结雪崩器件。
从击穿点到VC值所对应的曲线段表明,当有瞬时过压脉冲时,器件的电流急骤增加而反向电压则上升到箝位电压值,并保持在这一水平上。
2、双向TVS的V-I特性
如图1-2所示,双向TVS的V-I特性曲线如同两只单向TVS“背靠背”组合,其正反两个方向都具有相同的雪崩击穿特性和箝位特性,正反两面击穿电压的对称关系为:
0.9 图17图1-2 三、TVS器件的主要电参数 1、击穿电压V(BR) 器件在发生击穿的区域内,在规定的试验电流l(BR)下,测得器件两端的电压称为击穿电压,在此区域 内,二极管成为低阻抗的通路。 2、最大反向脉冲峰值电流IPP 在反向工作时,在规定的脉冲条件下,器件允许通过的最大脉冲峰值电流。 IPP与最大箝位电压VC(MAX)的乘积,就是瞬态脉冲功率的最大值。 使用时应正确选取TVS,使额定瞬态脉冲功率PPR大于被保护器件或线路可能出现的最大瞬态浪涌功率。 当瞬时脉冲峰值电流岀现时,TVS被击穿,并由击穿电压值上升至最大箝位电压值,随着脉冲电流呈指 数下降,箝位电压亦下降,恢复到原来状态。 因此,TVS能抑制可能出现的脉冲功率的冲击,从而有效地 保护电子线路。 rt ._时科-* 图V3 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0.9IPP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: A、EMP波: 10ns/1000nsB、闪电波: 8卩s/20卩s、C标准波: 10卩s/1000gs 3、最大反向工作电压VRWM(或变位电压) 器件反向工作时,在规定的IR下,器件两端的电压值称为最大反向工作电压VRWM。 通常VRWM= (0.8〜0.9)V(BR)。 在这个电压下,器件的功率消耗很小。 使用时,应使VRWM不低于被保护器件或线路的正常工作电压。 4、最大箝位电压VC(max) 在脉冲峰值电流|pp作用下器件两端的最大电压值称为最大箝位电压。 使用时,应使VC(max)不高于 被保护器件的最大允许安全电压。 最大箝位电压与击穿电压之比称为箝为系数。 即: 箝位系数=VC(max)/V(BR) 一般箝位系数为1.3左右。 5、反向脉冲峰值功率PPR TVS的PPR取决于脉冲峰值电流IPP和最大箝位电压VC(max),除此以外,还和脉冲波形、脉冲时间及环境温度有关。 当脉冲时间Tp一定时,PPR=K1? ? ? ? ? ? K2? VC(max)? Ipp 式中K1为功率系数,K2为功率的温度系数。 典型的脉冲持续时间tp为1MS,当施加到瞬态电压抑制二极管上的脉冲时间tp比标准脉冲时间短时, 其脉冲峰值功率将随tp的缩短而增加。 TVS的反向脉冲峰值功率PPR与经受浪涌的脉冲波形有关,用功率系数K1表示 E=/i(t? V(t)dt 式中: i(t)为脉冲电流波形,V(t)为箝位电压波形。 这个额定能量值在极短的时间内对TVS是不可重复施加的。 但是,在实际的应用中,浪涌通常是重复 地岀现,在这种情况下,即使单个的脉冲能量比TVS器件可承受的脉冲能量要小得多,但若重复施加,这 些单个的脉冲能量积累起来,在某些情况下,也会超过TVS器件可承受的脉冲能量。 因此,电路设计必须 在这点上认真考虑和选用TVS器件,使其在规定的间隔时间内,重复施加脉冲能量的累积不至超过TVS 器件的脉冲能量额定值。 6、电容CPP TVS的电容由硅片的面积和偏置电压来决定,电容在零偏情况下,随偏置电压的增加,该电容值呈下降 趋势。 电容的大小会影响TVS器件的响应时间。 7、漏电流IR 当最大反向工作电压施加到TVS上时,TVS管有一个漏电流IR,当TVS用于高阻抗电路时,这个漏电流是一个重要的参数。 第二章TVS选用原则 在选用TVS时,必须考虑电路的具体条件,一般应遵循以下原则: 一、大箝位电压VC(MAX)不大于电路的最大允许安全电压。 二、最大反向工作电压(变位电压)VRWM不低于电路的最大工作电压,一般可以选VRWM等于或略高 于电路最大工作电压。 三、额定的最大脉冲功率,必须大于电路中出现的最大瞬态浪涌功率。 下面是TVS在电路应用中的典型例子: TVS用于交流电路: 见图2-1,这是一个双向TVS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。 TVS的箝位电压不大于电路的最大允许电压。 图 2-2所示,是用单向TVS并联于整流管旁侧,以保护整流管不被瞬时脉冲击穿,选用TVS必须是和整流管 相匹配。 图2-3所示电路中,单向TVS1和TVS2反接并联于电源变压器输出端或选用一个双向TVS,用 以保护整流电路及负载中的元器件。 TVS3保护整流以后的线路元件,如电源变压器输岀端电压为36伏时 一般TVS1和TVS2的工作电压VR应根据36X来选择,其它参数依据电路中的具体条件而下。 TVS用于直流电路,图2-4所示TVS并联于输出端,可有效地保护控制系统。 TVS的反向工作电压应 等于或略高于直流供电电压,其它参数根据电路的具体条件而定。 图2-5所示为两个单向TVS连接在电源 线路中,用以防止直流电源反接或电源通、断时产生的瞬时脉冲使集成电路损坏。 当电路连接有感性负载, 如电机、断电器线圈、螺线管时,会产生很高的瞬时脉冲电压。 图2-6中的TVS可以保护晶体管及逻辑电路,从而省去了较复杂的电阻/电容保护网络。 图2-7电路中TVS起保护和电压限制的作用。 图>777£在电路中起傑护和电用限蓟的作用 直流电中选用举例: 整机直流工作电压12V,最大允许安全电压25V(峰值),浪涌源的阻抗50MQ,其干扰波形为方波,TP=1MS,最大峰值电流50A。 选择: 1、先从工作电压12V选取最大反向工作电压VRWM为13V,则击穿电压V(BR)==15.3V; 2、从击穿电压值选取最大箝位电压VC(MAX)=1.30W(BR)=19.89V,取VC=20V; 3、再从箝位电压VC和最在峰值电流IP计算出方波脉冲功率: PPR=VC 4、计算折合为TP=1MS指数波的峰值功率,折合系数K1=1.4,PPR=1000府1.4=715W 从手册中可查到1N6147A其中PPR=1500W,变位电压VRWM=12.2V,击穿电压V(BR)=15.2V,最大箝位电压VC=22.3V,最大浪涌电流IP=67.3A。 可满足上述设计要求,而且留有一倍的余量,不论方波还是指数波都适用。 交流电路应用举例: 直流线路采用单向瞬变电压抑制二极管,交流则必须采用双向瞬变电压抑制二极管。 交流是电网电压,这里产生的瞬变电压是随机的,有时还遇到雷击(雷电感应产生的瞬变电压)所以很难定量估算岀瞬时脉冲功率PPR。 但是对最大反向工作电压必须有正确的选取。 一般原则 是交流电压乘1.4倍来选取TVS管的最大反向工作电压。 直流电压则按1.1—1.2倍来选取TVS管的最在 反向工作电压VRWM。 在进线的220V〜处加TVS管抑制220V〜交流电网中尖峰干扰。 2、在变压器进线加上干扰滤波器,滤除小尖峰干扰。 3、在变压输出端V~=20V处又加上TVS管,再一次抑制干扰。 4、到了直流10V输出时还加上TVS管抑制干扰。 其中: 双向TVS管D1的VRWM=220M〜1.4=308V左右双向TVS管D2的VRWM=20M〜1.4=28V左右 单向TVS管D3的VRWM=10M〜1.2=12V左右 经过如上四次抑制,变成所谓的净化电源”,还可以加上其它措施,更有效地抑制干扰,防止干扰进入 计算机的CPU及存贮器中,从而提高微机系统的应用可靠性。 从失效统计概率可知: 微机系统产生100次故障,其中90次来自电源,10次是微机本身,可见电源的 可靠性最重要,要提高整机可靠性,首先应提高电源的可靠性。 第三章TVS应用实例 TVS在美国应用十分广泛,特别是在军事电子装备中非常重视,美国军标不但岀牌了不少TVS器件的 标准,同时在线路应用方面也有军标,如MIL-HDBK-978B《宇航用电子元器件手册》中第4.8节为双极型瞬变电压抑制器”,文中列出不少TVS的应用实例。 MIL-HDBK-338B《电子设备可靠性手册》中第7.4.4节为瞬态和过应力保护”,文中也谈到了TVS的应用。 TVS在国内的应用,正处于推广应用的阶段,为了加深电路设计人员对TVS的认识,提高国产整机的可靠 性,现将上述两个美国军标中译岀的部分资料整理成文,推荐给广大电路设计人员参考使用。 一、TVS在微机中的应用实例 一个典型的微机系统,通过电源线、输入线、输岀线进入的各种干扰或瞬变电压,可能使微机误动作岀故障,特别是来自开关电源,微机近旁的电动机的开与关、交流电源电压的浪涌和瞬变、静电放电等场合都可能使系统产生误动作,严重时还可能损坏器件。 将瞬变电压抑制二极管接到微机的电源线输入和输岀线上,可防止瞬变电压进入微机”总线,加强微机对外界干扰的抵抗能力,保证微机正常工作,提高其应用可靠性。 ,使用TVS管的量是很多的。 二、TVS管保护开关电源实例 对开关电源设计师来讲,必须对影响开头电源的三种瞬变类型进行保护: 1、由负载变化引起的瞬变电压(电感负载); 2、由电源线引入的瞬变电压; 3、由开关电源内部发生的瞬变电压。 由于电源中需要保护的典型元器件有: 1、高反压开关晶体管(VMOS管) 2、高压整流器(高压流整流二极管) 3、输岀整流器(输岀大电流整流二极管) 4、内部控制电路(脉宽调制器等) 典型开关电源中应用TVS的实例,由图可见共有八个TVS管,各自保护自已的对象,当然八个TVS 管的特性也不同,从击穿电压”、最大脉冲峰值功率”、脉冲峰值电流”到箝位电压”等都有区别。 美国HP公司某仪器使用的开关电源,从图中可以看到该电源中所有瞬变电压抑制二极管的数量及情况。 国外应用TVS是非常普遍的,而且数量也是很多的,可见TVS对提高整机应用可靠性是至关重要的。 三、TVS保护直流稳压电源实例 一个直流稳压电源,并有扩大电流输岀的晶体管,在其稳压输岀端加上瞬变电压抑制二极管,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,保护晶体管。 建设在每个稳压源输岀端增加一个TVS管,可大幅度提高整机应用可靠性。 四、TVS保护晶体管实例 各种瞬变电压能使晶体管EB结或CE结击穿而损坏,特别是晶体管集电极有电感性(线圈、变压器、 电动机)负载时,会产生高压反电势,往往使晶体管损坏。 建设采用TVS管作为保护器。 五、TVS保护集成电路实例 由于集成电路集成度越来越高,其耐压越来越低,容易受到瞬变电压的冲击而损坏,必须采取保护措施。 例如CMOS电路在其输入端及输出端都有保护网路,为了更可靠起见,在各整机对外接口处还增加各种保 护网络。 六、TVS保护可控硅实例 可控硅可能误触发导致误动作,可控硅控制极电流不能太大,电压不能过高,必须采用各种保护措施。 七、TVS保护继电器实例 继电器有驱动线圈,当用大功率晶体管驱动时,应采取保护措施,如图5所示。 有时也采用图8所示方 法来抑制线圈中的高压反电势保护晶体管,哪个方案更好应根据实际情况决定。 图中二极管允许的电源应比晶体管的工作电流大一倍左右,例如继电器线圈的最大电流IA,则二极管额定电流选2-3A左右,耐压 则应大于电源电压的2倍左右,例如电源电压27V,则二极管耐压应为60V以上。 继电器的触点往往用大电流去开关电动机等大电流电感负载,而电感在开关时有很高的反电势,而且有较大的能量,往往把触点烧坏或击穿产生电弧等,必须对触点采取保护,抑制电弧的产生,以保护继电器。 但是这种电弧产生的浪涌电流很大,过去采用电容或者用电容串联电阻、二极管、二极管串联电阻等抑制方案,现在采用瞬变电压抑制二极管方案效果更好。 美国军标举例说明TVS管的选取方法: 已知: TVS管的箝位电压VC,负载电感L和电阻RL 计算: 由图3-10可见: 最大峰值电流IP= 最大脉冲峰值功率PPR=IPXVC 脉冲时间TP=== 瞬变电压抑制二极管的脉冲峰值功率与持续时间有一定关系,否则
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