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亿佰特TVS干货知识分区:tvs工作原理是什么?高手是怎么选型的?

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[LV.1]初来乍到

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发表于 2021-8-11 19:06 |显示全部楼层
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一、TVS工作原理
TVS(Transient Voltage Suppressors),即瞬态电压抑制器,又称雪崩击穿二极管。它是采用半导体工艺制成的单个 PN 结或多个 PN 结集成的器件。TVS 有单向与双向之分,单向 TVS 一般应用于直流供电电路,双向 TVS 应用于电压交变的电路。如图 1 所示,应用于直流电路时单向 TVS 反向并联于电路中,当电路正常工作时,TVS 处于截止状态(高阻态),不影响电路正常工作。当电路出现异常过电压并达到TVS(雪崩)击穿电压时,TVS 迅速由高电阻状态突变为低电阻状态,泄放由异常过电压导致的瞬时过电流到地,同时把异常过电压钳制在较低的水平,从而保护后级电路免遭异常过电压的损坏。当异常过电压消失后,TVS 阻值又恢复为高阻态。

TVS选型过程
选择TVS之前,我们首先要明白选择的终极目标:
1.电压合适能保护后级电路;
2.引入的TVS的结电容不能影响电路;
3.TVS功率余量充足,满足测试标准,且不能比保险管先挂。选型的过程可以按照以下的步骤进行:
(1) 选择TVS最高工作电压Vrmw;
(2) 选择TVS钳位电压VC;
(3) 选择TVS的功率;
(4) 评估漏电流IR的影响;
(5) 评估结电容的影响;
选择TVS最高工作电压Vrmw;
在电路正常工作情况下,TVS 应该是不工作的,即处于截止状态,所以 TVS 的截止电压应大于被保护电路的最高工作电压。这样才能保证 TVS 在电路正常工作下不会影响电路工作。但是 TVS 的工作电压高低也决定了 TVS 钳位电压的高低,在截止电压大于线路正常工作电压的情况下,TVS 工作电压也不能选取的过高,如果太高,钳位电压也会较高,所以在选择 Vrwm 时,要综合考虑被保护电路的工作电压及后级电路的承受能力。要求Vrwm要大于工作电压,否则工作电压大于Vrwm会导致TVS反向漏电流增大,接近导通,或者雪崩击穿,影响正常电路工作。综合考虑,Vrwm可以参考以下的公式:
Vrwm≈1.1~1.2*VCC ;--------其中VCC为电路的最高工作电压。
B、选择选择TVS钳位电压VC;
TVS 钳位电压应小于后级被保护电路最大可承受的瞬态安全电压,VC 与 TVS 的雪崩击穿电压及 IPP 都成正比。对于同一功率等级的 TVS,其击穿电压越高 VC 也越高,所选TVS的最大箝位电压Vc不能大于被防护电路可以承受的最大电压。否则,当TVS钳在Vc时会对电路造成损坏。Vc可以参考以下的公式:
VC<Vmax ;-----其中Vmax为电路能承受的最高电压.
选择TVS的功率Pppm(或者Ipp);
TVS 产品的额定瞬态功率应大于电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率,理论上,TVS的功率越大越好,能够承受更多的冲击能量和次数,但是功率越高,TVS的封装越大,价钱也越高,所以,TVS的功率满足要求即可。对于不同功率等级的 TVS,相同电压规格的 TVS 其 VC 值是一样的,只是 IPP 不同。故 Pppm 与 Ippm成正比,Ippm 越大,Pppm 也越大。对于某一电路 ,有对应的测试要求,设实际电路中的最大测试电流为 Iactual ,则 Iactual 可估算为:
Iactual=Uactual/Ri;---------其中 Uactual 为测试电压,Ri为测试内阻。
TVS 要通过测试,故实际电路中要求 10/1000μs 波形下 TVS 的最小功率 Pactual 为:-------其中di/dt为波形转换系数,如实际测试波形为其他波形,如 8/20μs波形,建议di/dt取,如测试波形为 10/1000μs,取,实际选型中,TVS 应留有一定的裕量,TVS 的功率Pppm 选择应遵循Pppm>Pactual。
D、根据所选的TVS的结电容和漏电流评估影响
如果TVS 用在高速IO端口防护、模拟信号采样、低功耗设备场合,就需要考虑结电容和漏电流的影响,两则的参数越小越好。
TVS选型距离
数据都是无趣的,我们以实际的案例举例。电路的正常工作电压VCC是24V,最高工作电压Vmax是26V,后级电路可承受的最高瞬态电压为50V,实验的测试波形为 8/20μs波形,测试电压500V,测试电源内阻及PPTC的静态电阻合计为2Ω。根据上述信息选择合适的TVS。

1) 选择TVS最高工作电压
Vrmw≈1.1~1.2*VCC=26~28V
2) 选择选择TVS钳位电压
VC<Vmax=50V
3) 计算实际测试波形功率:
Pactual=Vc**=50*(500/3)*1/2=4166W
根据计算结果,可以选用5.0SMDJ26A这个TVS,由于这个TVS用在电源端口,结电容和漏电流基本可以忽略不计。


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