瞬態(tài)電壓抑制器的應用

摘要：介紹了瞬態(tài)電壓抑制器的工作原理、特性參數(shù)以及使用方法。舉例說明了在開關電源浪涌消除上的應用。

關鍵詞：浪涌瞬態(tài)電壓抑制器開關電源 　

消除噪聲干擾、防止浪涌損害一直是電子設備設計者頭痛的一件事。瞬態(tài)電壓抑制器（TVS：transientvoltagesuppressor)可以方便地解決這些問題。

當TVS兩極受到反向高能量沖擊時，它能以10－12s級的速度，將其兩極間的阻抗由高變低，吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電位箝位于預定值，有效地保護電子設備中的元器件免受浪涌脈沖的損害。TVS具有響應時間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、箝位電壓容易控制、體積小等優(yōu)點，目前已廣泛應用于家用電器、電子儀表、通訊設備、電源、計算機系統(tǒng)等各個領域。

1TVS的特性和主要參數(shù)

圖1TVS電壓－電流特性

1?1TVS的特性

TVS的電路符號和普通的穩(wěn)壓管相同。其電壓—電流特性曲線如圖1所示。

其正向特性與普通二極管相同，反向特性為典型的PN結(jié)雪崩器件。圖2是TVS的電流—時間和電壓—時間曲線。在浪涌電壓的作用下，TVS兩極間的電壓由額定反向關斷電壓VWM上升到擊穿電壓VBR，而被擊穿。隨著擊穿電流的出現(xiàn)，流過TVS的電流將達到峰值脈沖電流IPP，同時在其兩端的電壓被箝位到預定的最大箝位電壓VC以下。其后，隨著脈沖電流按指數(shù)衰減，TVS兩極間的電壓也不斷下降，最后恢復到初態(tài)，這就是TVS抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖功率，保護電子元器件的過程。

1?2TVS的主要參數(shù)

（1）最大反向漏電流ID和額定反向關斷電壓VWM

VWM是TVS最大連續(xù)工作的直流或脈沖電壓，當這個反向電壓加于TVS的兩極間時它處于反向關斷狀態(tài)，流過它的電流應小于或等于其最大反向漏電流ID。

（2）最小擊穿電壓VBR和擊穿電流IR

VBR是TVS最小的擊穿電壓。在25℃時，低于這個電壓TVS是不會發(fā)生雪崩的。當TVS流過規(guī)定的1mA電流（IR）時，加于TVS兩極的電壓為其最小擊

圖2TVS電壓（電流）時間特性

穿電壓VBR。按TVS的VBR與標準值的離散程度，可把VBR分為5％和10％兩種。對于5％的VBR來說，VWM=0.85VBR；對于10％的VBR來說，VWM=0.81VBR。

（3）最大箝位電壓VC和最大峰值脈沖電流IPP

當持續(xù)時間為20μs的脈沖峰值電流IPP流過TVS時，在其兩端出現(xiàn)的最大峰值電壓為VC。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC與VBR之比稱為箝位因子，一般在1.2～1.4之間。

（4）電容量C

電容量C是由TVS雪崩結(jié)截面決定的，是在特定的1MHz頻率下測得的。C的大小與TVS的電流承受能力成正比，C太大將使信號衰減。因此，C是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS的重要參數(shù)。

（5）最大峰值脈沖功耗PM

PM是TVS能承受的最大峰值脈沖功率耗散值。在給定的最大箝位電壓下，功耗PM越大，其浪涌電流的承受能力越大；在給定的功耗PM下，箝位電壓VC越低，其浪涌電流的承受能力越大。另外，峰值脈沖功耗還與脈沖波形、持續(xù)時間和環(huán)境溫度有關。而且，TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重復的，器件規(guī)定的脈沖重復頻率（持續(xù)時間與間歇時間之比）為0?01％。如果電路內(nèi)出現(xiàn)重復性脈沖，應考慮脈沖功率的累積，有可能損壞TVS。

（6）箝位時間tc

tc是從零到最小擊穿電壓VBR的時間。對單極性TVS小于1×10－12s；對雙極性TVS小于10×10－12s。

2TVS的分類

TVS器件按極性可分為單極性和雙極性兩種；按用途可分為通用型和專用型；按封裝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為：軸向引線二極管、雙列直插TVS陣列、貼片式和大功率模塊等。軸向引線的產(chǎn)品峰值功率可以達到400W、500W、600W、1500W和5000W。其中大功率的產(chǎn)品主要用在電源饋線上，低功率產(chǎn)品主要用在高密度安裝的場合。對于高密度安裝的場合還可以選擇雙列直插和表面貼裝的封裝形式。

3TVS的選用指南

（1）確定被保護電路的最大直流或連續(xù)工作電

壓，電路的額定標準電壓和最大可承受電壓。

（2）TVS的額定反向關斷電壓VWM應大于或等于

被保護電路的最大工作電壓。若選用的VWM太低，器件可能進入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。

（3）TVS的最大反向箝位電壓VC應小于被保護

電路的損壞電壓。

（4）在規(guī)定的脈沖持續(xù)時間內(nèi)，TVS的最大峰值

脈沖功率PM必須大于被保護電路可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。在確定了最大箝位電壓后，其峰值脈沖電流應大于瞬態(tài)浪涌電流。一般TVS的最大峰值脈沖功率是以10/1000μs的非重復脈沖給出的，而實際的脈沖寬度是由脈沖源決定的，當脈沖寬度不同時其峰值功率也不同。如某600WTVS，對1000μs脈寬最大吸收功率為600W，但是對50μs脈寬吸收功率就可達到2100W，而對10ms的脈寬最大吸收功率就只有200W了。而且吸收功率還和脈沖波形有關：如果是半個正弦波形式的脈沖，吸收功率就要減到75％，若是方波形式的脈沖，吸收功率就要減到66％。

（5）平均穩(wěn)態(tài)功率的匹配

對于需要承受有規(guī)律的、短暫的脈沖群沖擊的TVS，如應用在繼電器、功率開關或電機控制等場合，有必要引入平均穩(wěn)態(tài)功率的概念。舉例說明，在一功率開關電路中會產(chǎn)生120Hz，寬度為4μs，峰值電流為25A的脈沖群。選用的TVS可以將單個脈沖的電壓箝位到11?2V。此中平均穩(wěn)態(tài)功率的計算為：脈沖時間間隔等于頻率的倒數(shù)，1/120=0.0083s，峰值吸收功率是箝位電壓與脈沖電流的乘積11.2V×25A=280W，平均功率則為峰值功率與脈沖寬度對脈沖間隔比值的乘積，即280×（0.000004s/0.0083s)=0.134W。也就是說，選用的TVS平均穩(wěn)態(tài)功率必須大于0.134W。

（6）對于數(shù)據(jù)接口電路的保護，還必須注意選取

具有合適電容C的TVS器件。

（7）根據(jù)用途選用TVS的極性及封裝結(jié)構(gòu)。交流

電路選用雙極性TVS較為合理；多線保護選用TVS陣列更為有利。

（8）溫度考慮

瞬態(tài)電壓抑制器可以在－55℃～＋150℃之間工作。如果需要TVS在一個變化的溫度下工作，由于其反向漏電流ID是隨溫度增加而增大；功耗隨TVS結(jié)溫增加而下降，從＋25℃到＋175℃，大約線性下降50％；擊穿電壓VBR隨溫度的增加按一定的系數(shù)增加。因此，必須查閱有關產(chǎn)品資料，考慮溫度變化對其特性的影響。

4TVS與壓敏電阻的比較

目前，國內(nèi)不少需要進行浪涌保護的設備上仍然

使用的是壓敏電阻。壓敏電阻是一種金屬氧化物變阻器，TVS比壓敏電阻的性能優(yōu)越得多，其性能比較列于表1。

表1TVS與壓敏電阻性能比較

市場上能見到如下系列的TVS管：

SA系列—500W

P6KE，SMBJ系列—600W

1N5629～1N6389，1.5KE，LC，LCE系列—1500W

5KP系列—5000W

15KAP，15KP系列—15000W

其中尤以P6KE和1?5KE系列最為常見，它們的命名規(guī)則如下：

第一部分＋第二部分＋第三部分

第一部分……P6KE或1?5KE

第二部分……數(shù)字，代表最小擊穿電壓

第三部分……A或CA，A代表單向TVS管；CA代表雙向TVS管

例如，P6KE200A為500W最小擊穿電壓約200V的單向TVS管。

6TVS的應用舉例

如圖3所示，為一典型的開關電源驅(qū)動電路。當功率開關管關斷時，由于開關變壓器線圈漏感的存在，會產(chǎn)生極高的反電勢，有可能將功率開關管擊穿。當在開關變壓器一次側(cè)并接上TVS管后，可以有效地吸收電壓尖峰，保護功率開關管的安全，降低對功率開關管耐壓的要求。TVS管的選擇如下：

圖3TVS的應用

220V交流市電經(jīng)整流濾波后變?yōu)?a target="_blank">高壓直流供給開關變壓器，此高壓直流變化范圍是240V～360V，而由于變壓器漏感和引線電感的存在，關斷過電壓可以高達幾千伏，功率開關管關斷時難于同時承受這兩種電壓。綜合考慮可以選用VWM等于200V左右的TVS，這樣將關斷過電壓控制在300V以內(nèi)，加上電源電壓，功率開關管選用耐壓為700V的管型即可。

下面估算一下TVS管的PM值：

TVS管所耗散的功率也就是電路雜散電感所存儲的功率，故而轉(zhuǎn)求雜散電感存儲功率即可。

PM=PL=E/t=0.5LI2/t

雜散電感一般為幾個μH，這里取5μH；

100W的開關電源原邊平均電流I=P/U=100/240=0.417A，設占空比D為0?5，則最大電流=I/D=0.417/0.5=0.833A，取I=1A；

功率開關器件關斷時間一般在幾十納秒，取t=10ns，于是有：

PM=0.5×5×10－6×12/10×10－9=250W，由于開關電源開關頻率很高，達到了100kHz以上，考慮脈沖功率的累計，PM應成倍擴大，結(jié)合PM的標稱值取600W。

因此可以選用200V/600W的TVS管。由于僅在開關管關斷時產(chǎn)生單向過電壓，故選用單向TVS即可，例如P6KE200A。