TVS選型，讓老人新人都能得心應手

提到TVS，大部分電子工程師基本都知道是用來(lái)端口防護的，防止端口瞬間的電壓沖擊造成后級電路的損壞。由于其在電路中的極其重要的地位，但是，針對TVS的選型過(guò)程，很多廠(chǎng)家都是直接給推薦電路，直接告訴設計者答案選擇哪個(gè)器件，卻很少對選型過(guò)程提供理論計算，大部分的電子工程師針對TVS選型的時(shí)候，老人憑經(jīng)驗，新人憑參考，一旦更換廠(chǎng)家或者更換測試條件，就無(wú)從下手了，本文就專(zhuān)門(mén)解決該問(wèn)題，讓新人老人對TVS選型都能得心應手。

都是限制個(gè)電壓，為何人家的選型就比我優(yōu)秀？

工作原理

TVS（Transient Voltage Suppressors），即瞬態(tài)電壓抑制器，又稱(chēng)雪崩擊穿二極管。它是采用半導體工藝制成的單個(gè) PN 結或多個(gè) PN 結集成的器件。TVS 有單向與雙向之分，單向 TVS 一般應用于直流供電電路，雙向 TVS 應用于電壓交變的電路。如圖 1 所示，應用于直流電路時(shí)單向 TVS 反向并聯(lián)于電路中，當電路正常工作時(shí)，TVS 處于截止狀態(tài)（高阻態(tài)），不影響電路正常工作。當電路出現異常過(guò)電壓并達到TVS（雪崩）擊穿電壓時(shí)，TVS 迅速由高電阻狀態(tài)突變?yōu)榈碗娮锠顟B(tài)，泄放由異常過(guò)電壓導致的瞬時(shí)過(guò)電流到地，同時(shí)把異常過(guò)電壓鉗制在較低的水平，從而保護后級電路免遭異常過(guò)電壓的損壞。當異常過(guò)電壓消失后，TVS 阻值又恢復為高阻態(tài)。

圖1 ：TVS工作原理

關(guān)鍵參數

工欲善其事，必先利其器，要用好TVS，必須先了解其關(guān)鍵的參數。

(1) Vrwm截止電壓：

TVS 的最高工作電壓，可連續施加而不引起 TVS 劣化或損壞的最高工作峰值電壓或直流峰值電壓。對于交流電壓，用最高工作電壓有效值表示，在 V RWM 下，TVS 認為是不工作的，即是不導通的。換一句話(huà)，電路的最高工作電壓必須小于Vrwm，否則將會(huì )導致TVS動(dòng)作導致電路異常。

(2) I R 漏電流：

漏電流，也稱(chēng)待機電流。在規定溫度和最高工作電壓條件下，流過(guò) TVS 的最大電流。TVS 的漏電流一般是在截止電壓下測量，對于某一型號 TVS, I R 應在規定值范圍內。對 TVS 兩端施加電壓值為 V RWM ，從電流表中讀出的電流值即為 TVS的漏電流 I R 。對于同功率和同電壓的 TVS，在 V RWM ≤10V 時(shí)，雙向 TVS 漏電流是單向 TVS 漏電流的 2 倍。對于一些模擬端口，漏電流會(huì )影響AD的采樣值，所以TVS的漏電流越小越好。

(3) VBR 擊穿電壓

擊穿電壓，指在 V-I 特性曲線(xiàn)上，在規定的脈沖直流電流 I T 或接近發(fā)生雪崩的電流條件下測得 TVS 兩端的電壓。測試的電流It一般選取10mA左右，施加的電流的時(shí)間不應超過(guò)400ms，以免損壞器件，VBR MIN 和 VBR MAX 是 TVS 擊穿電壓的一個(gè)偏差，一般 TVS 為±5%的偏差。測量時(shí)，V BR 落在 V BR MIN .和 V BR MAX .之間視為合格品。

(4) I PP 峰值脈沖電流 ，V C 鉗位電壓

峰值脈沖電流，給定脈沖電流波形的峰值。TVS 一般選用 10/1000μs 電流波形。鉗位電壓，施加規定波形的峰值脈沖電流 I PP 時(shí)，TVS 兩端測得的峰值電壓。I PP 及 V C 是衡量 TVS 在電路保護中抵抗浪涌脈沖電流及限制電壓能力的參數，這兩個(gè)參數是相互聯(lián)系的。對于 TVS 在防雷保護電路中的鉗位特性，可以參考 V C 這個(gè)參數。對于相同型號 TVS，在相同 I PP 下的V C 越小，說(shuō)明 TVS 的鉗位特性越好。TVS 的耐脈沖電流沖擊能力可以參考 I PP ，同型號的 TVS，I PP 越大，耐脈沖電流沖擊能力越強。

(5)結電容CI，漏電流Ir

結電容是TVS中的寄生電容，在高速I(mǎi)O端口保護需要重點(diǎn)關(guān)注，過(guò)大的結電容可能會(huì )影響信號的質(zhì)量。漏電流主要帶來(lái)了功率的損耗，或者是在模擬信號中，會(huì )影響AD信號的采樣值。

圖2 ：廠(chǎng)家一般都是提供10/1000μs的測試波形

圖3 ：TVS的關(guān)鍵參數

選型過(guò)程

了解了TVS的基本參數，我們就開(kāi)始進(jìn)入最重要的TVS選型的過(guò)程了。選擇TVS之前，我們首先要明白選擇的終極目標：

1.電壓合適能保護后級電路；

2.引入的TVS的結電容不能影響電路；

3.TVS功率余量充足，滿(mǎn)足測試標準，且不能比保險管先掛。

選型的過(guò)程可以按照以下的步驟進(jìn)行：

1.選擇TVS最高工作電壓Vrmw；

2. 選擇TVS鉗位電壓VC；

3.選擇TVS的功率；

4.評估漏電流Ir的影響；

5.評估結電容的影響；

選擇TVS最高工作電壓Vrmw

在電路正常工作情況下，TVS 應該是不工作的，即處于截止狀態(tài)，所以 TVS 的截止電壓應大于被保護電路的最高工作電壓。這樣才能保證 TVS 在電路正常工作下不會(huì )影響電路工作。但是 TVS 的工作電壓高低也決定了 TVS 鉗位電壓的高低，在截止電壓大于線(xiàn)路正常工作電壓的情況下，TVS 工作電壓也不能選取的過(guò)高，如果太高，鉗位電壓也會(huì )較高，所以在選擇 Vrwm 時(shí)，要綜合考慮被保護電路的工作電壓及后級電路的承受能力。要求Vrwm要大于工作電壓，否則工作電壓大于Vrwm會(huì )導致TVS反向漏電流增大，接近導通，或者雪崩擊穿，影響正常電路工作。綜合考慮，Vrwm可以參考以下的公式：

Vrwm≈1.1~1.2*VCC ；--------其中VCC為電路的最高工作電壓。

選擇選擇TVS鉗位電壓VC

TVS 鉗位電壓應小于后級被保護電路最大可承受的瞬態(tài)安全電壓，VC 與 TVS 的雪崩擊穿電壓及 I PP 都成正比。對于同一功率等級的 TVS，其擊穿電壓越高 V C 也越高，所選TVS的最大箝位電壓Vc不能大于被防護電路可以承受的最大電壓。否則，當TVS鉗在Vc時(shí)會(huì )對電路造成損壞。Vc可以參考以下的公式：

VC＜Vmax ；-----其中Vmax為電路能承受的最高電壓。

選擇TVS的功率Pppm（或者Ipp）

TVS 產(chǎn)品的額定瞬態(tài)功率應大于電路中可能出現的最大瞬態(tài)浪涌功率，理論上，TVS的功率越大越好，能夠承受更多的沖擊能量和次數，但是功率越高，TVS的封裝越大，價(jià)錢(qián)也越高，所以，TVS的功率滿(mǎn)足要求即可。對于不同功率等級的 TVS，相同電壓規格的 TVS 其 V C 值是一樣的，只是 I PP 不同。故 Pppm 與 Ippm成正比，Ippm 越大，Pppm 也越大。對于某一電路 ，有對應的測試要求，設實(shí)際電路中的最大測試電流為 Iactual ，則 Iactual 可估算為：

Iactual=Uactual/Ri；---------其中 Uactual 為測試電壓，Ri為測試內阻。

TVS 要通過(guò)測試，故實(shí)際電路中要求 10/1000μs 波形下 TVS 的最小功率 P actual 為：-------其中di/dt為波形轉換系數，如實(shí)際測試波形為其他波形，如 8/20μs波形，建議di/dt取，如測試波形為 10/1000μs，取，實(shí)際選型中，TVS 應留有一定的裕量，TVS 的功率PPMP 選擇應遵循Pppm＞Pactual。

根據所選的TVS的結電容和漏電流評估影響

如果TVS 用在高速I(mǎi)O端口防護、模擬信號采樣、低功耗設備場(chǎng)合，就需要考慮結電容和漏電流的影響，兩則的參數越小越好。

選型舉例

數據都是無(wú)趣的，我們以實(shí)際的案例舉例：

電路的正常工作電壓VCC是24V，最高工作電壓Vmax是26V,后級電路可承受的最高瞬態(tài)電壓為50V，實(shí)驗的測試波形為 8/20μs波形，測試電壓500V，測試電源內阻及PPTC的靜態(tài)電阻合計為2Ω。根據上述信息選擇合適的TVS。

圖4：設計舉例

1) 選擇TVS最高工作電壓

Vrmw≈1.1~1.2*VCC=26~28V

2) 選擇選擇TVS鉗位電壓

VC＜Vmax=50V

3) 計算實(shí)際測試波形功率：

Pact=50*（500/2）*1/3=4166W

根據計算結果，可以選用5.0SMDJ26A這個(gè)TVS，由于這個(gè)TVS用在電源端口，結電容和漏電流基本可以忽略不計。

圖5 ：5.0SMDJ26A TVS關(guān)鍵參數

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